Arquitectura de Sistemas Computacionais -...

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Paulo N.M. Sampaio

Arquitectura de Sistemas Computacionais

Prof. Dr. Paulo Sampaio

Universidade da Madeira - UMA

Paulo N.M. Sampaio

Objectivos da disciplina

Objectivos:

� Dotar os alunos de conhecimentos teóricos e prático s sobre

arquitecturas de sistemas computacionais

� Conhecer e identificar os componentes básicos de um PC

� Conhecer a organização e funcionamento dos principai s microprocessadores (i286 a Pentium)

� Perceber a organização da memória, chipsets, interru pções e DMA,sistemas de bus, armazenamento secundário e interfac es.

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Paulo N.M. Sampaio

Logística:

� Responsável pela Disciplina:

Prof. Dr. Paulo Sampaio

� Docente:

Prof. Dr. Paulo Sampaio (Teóricas e Práticas)

291 705291, e-mail: [email protected]

� Informações aos Alunos: http://dme.uma.pt/edu/asc

Maria José / Nelson Vasconcelos / Anita Ferraz

(Dep. de Matemática e Engenharias - Secretaria)

� Horário de dúvidas: ???

Organização da disciplina

Paulo N.M. Sampaio

Programa Teórico

1. Introdução (IPCHW 1)

2. Microprocessadores para PCs (IPCHW 3-14)

3. Chips de Memoria (IPCHW 15)

4. Chipsets (IPCHW 16)

5. Interrupções e DMA (IPCHW 17)

6. RAM CMOS e RealtimeClock (IPCHW 18, 19)

7. Arquitecturas e Sistemas de BUS (IPCHW 20, 22, 25)

8. Dispositivos de Amazenamento (IPCHW 28, 29, 30, 31 )

9. Periféricos (IPCHW 32, 33, 34, 35, 37)


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Bibliografia:

� Principal

� Transparências da Disciplina

� Hans-Peter Messmer, The Indispensable PC Hardware Book, 4 Ed., Addison-Wesley,2001. Designado por IPCHW

� Auxiliar

� White, R., Downs, T.E. How Computers Work, Que; 7th edition, 2003.

� Eckel, B., Thinking in Java (2ª Ed.), Prentice-Hall, 2001, http://www.bruceeckel.com/

� Symbian Developer Library, http://www.symbian.com/developer/techlib/

� Sun Microsystems, Java 2 Platform - Micro Edition (J2ME), http://java.sun.com/j2me/


Paulo N.M. Sampaio

Avaliação:

� Componente Teórica (30%)

Trabalho de grupo de apresentação de um tópico de microprocessadoresPeso: 30% da nota final

� Componente Prática (70%)

Projecto em grupo de desenvolvimento de uma aplicação para Symbian (Telefone celular série 60)Peso: 70% da nota final.

� Nota Mínima para aprovação: >=9,5 valores.

Obs: Somente os alunos que realizarem todas as etap as de avaliação (partes teórica e prática) poderão recorrer ao exam e de recurso.


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Programa Teórico










Paulo N.M. Sampaio

O Que é um PC?

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1. Introdução

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Os Pioneiros

• 1940’s– ENIAC, construida por John Mauchly e J. Presper Eckert com

um desempenho 1000 vezes superior às máquinas da época• Projecto: 1943-1946• Programação: plug board e switches

• Velocidade: 5,000 operações por segundo• E/S: cartões, luzes, interruptores, plugs• Espaço ocupado: 1,000 square feet

1. Introdução

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Os Pioneiros• 1950’s

– O UNIVAC I construido para o U.S. Census Bureau foi o primeiro computador comercial a atrair a atenção do público.

– Embora tenha sido construida pela Remington Rand, é muitasvezes de forma errada referida por "IBM UNIVAC.”

– A Remington Rand vendeu 46 máquinas a mais de $1 000 000USD + $185 000 por uma impressora.

• Velocidade: 1,905 operações por segundo• E/S: magnetic tape, unityper, printer• Memória: 1,000 12-digit words in delay lines• Tipo de Memória: delay lines, magnetic tape• Tecnologia: vacuum tubes, magnetic tape• Espaço ocupado: 943 cubic feet

1. Introdução

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Os Pioneiros

• 1960’s– O percursos do minicomputador (DEC´s PDP-1) vendido por $120,000

USD

– Alguns dos 50 vendidos incluiam um ecrã gráfico. Não precisava de arcondicionado e requeria apenas 1 operador.

– A capacidade deste computador atraiu os investigadores do MIT queescreveram o primeiro jogo de video (SpaceWar)

– A Digital Equipment Corp. introduziu o PDP-8, o primeiro computadorcomercial de sucesso. O PDP-8 custava $18,000USD, 1/5 do preço da mainframe IBM 360 mainframe

» A velocidade, dimensão pequena e custo razoável permitiram aoPDP-8 ser instalado em milhares de fábricas, empresas e laboratórios científicos

1. Introdução

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Os Pioneiros

• 1970s– Investigadores do Xerox Palo Alto

Research Center criaram o Alto• A primeira workstation com rato

• O Alto armazenava vários ficheiros emjanelas, tinha menus e ícones e podia ser ligado em rede.

– A Xerox nunca comercializou o Alto embora tenha oferecido váriosexemplares a Universidades.

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1. Introdução

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O Computador Pessoal• 1980s

– O Apple II é considerado o primeiro computador pessoal comercial» Foi um sucesso instantâneo no seu lançamento em 1977» O Apple II tinha um motherboard em circuito impresso, teclado,

paddles para jogos e armazenamento em tape.» Quanto ligado a um televisor a cores produzia gráficos a cores.

– A IBM introduziu o primeiro PC permitindo o crescimento rápido do mercadodos PCs.

» O primeiro PC tinha um processador 8088 a 4,77MHz e utilizava o MS-DOS da Microsoft

– A Apple lançou o primeiro computador comercial com rato e GUI em 1984.» O Macintosh era baseado num processador Motorola 68000 a um

preço mais razoável de $2 500USD.

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1. Introdução

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A Lei de Moore

42,000,000Pentium 4 processor

2000

24,000,000Pentium III processor

1999

7,500,000Pentium II processor

1997

3,100,000Pentium®processor

1993

1,180,000486™ DX processor1989

275,000386™ processor1985

120,0002861982

29,00080861978

5,00080801974

2,50080081972

2,25040041971

TransistoresMicroAnoMoore's Law

Derived from a speech given by Gordon Moore, later

a founder of Intel, in 1965, in which he observed that:

The number of microcomponents that could be placed

in an integrated circuit (microchip) of the lowest

manufacturing cost was doubling every year and that

this trend would likely continue into the future.

1. Introdução

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A Lei de Moore

• Se a Lei de Moore se verificasse na Indústria do Turismo– Em 1978 uma viagem New York - Paris

• Durava 7 hora e custava $900USD

– Em 2003• Duraria 1/4 segundo e custaria $0,1USD

1. Introdução

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Microprocessadores

1. Introdução

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Microprocessadores

1. Introdução

Paulo N.M. Sampaio

Principais Componentes de um PCPrincipais Componentes de um PC

• CPU:– O “cérebro” do computador

• Memória:– Acesso aleatório (RAM) – guarda temporariamente os dados que estão a

ser usados pelo computador– Memória de leitura (ROM) – guarda informação permanente que é

acedida apenas em nodo de leitura (i.e. nunca é alterada)– Basic Input/Output System (BIOS) – tipo de ROM que é usada pelo

computador para estabelecer comunicações básicas quando é ligado• “Motherboard”:

– Placa com circuitos integrados (ex. CPU) com todos os componentes principais do computador à qual todos os restantes componentes estão ligados

• Fonte de alimentação:– Transformador que faz a ligação da motherboard à energia eléctrica

fornecida• Disco rígido:

– Suporte de memória persistente de grande capacidade.• Controlador IDE (Integrated Drive Electronics):

– Interface primária para o disco rígido, CD e floppy

1. Introdução

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Dentro do PC

Paulo N.M. Sampaio

MotherboardMotherboard• A motherboard é um circuito impresso com múltiplas

camadas:– Um ou mais processadores– BIOS (basic input/output system chip)– Slots para memória– chip set com portos de I/O ports e controladores– Slots PCI (peripheral component interconnect)– Slots ISA (industry standard architecture)– Slots AGP (accelerated graphics port)– Portos USB (universal serial bus)– Ventoinhas de arrefecimento do CPU

• Slots PCI têm vindo a substituir os slotsISA (mais antigos):– Mas ambos têm vindo a ser substituídos por portos USB

1. Introdução

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A Motherboard

Utilização de circuitos

impressos

Circuito alternativo

Camadas intermediáriasPara circuitos complexos

Sockets são utilizados para a instalação ou upgrade de chips, tais como de memória ou de microprocessador.

Utilização de chips fixos

Dips switches

Jumpers

Terminação de circuitos permitem que as placas de extensão possam ser conectadas à placa mãe.

Capacitores e resistorespermitem estabilizar a corrente eléctrica.

Conectores em pino são utilizadas para as conexões

internas entre placas e os drivers de discos.

Paulo N.M. Sampaio

A Motherboard

1- A placa-mãe é responsável por enviar energia, dados e instruções para todos os componentes do computador => Para isso, são utilizados os circuitos eléctricos como barramentos.

2- Para enviar uma informação para um componente da placa-mãe (operação write), são combinados 24 circuitos (ou traços) para formar um barramento de endereço.

3- Os slots utilizados atualmente são do tipo PCI (Peri pheralComponent Interconnect), e AGP (Accelerated GraphicsPort), que permite aumentar a velocidade de transfe rência

de gráficos da memória para o ecrã.

4- O processador coloca as informações que quer escrever em um conjunto de traços (barramento de dados).

5- Outros traços são utilizados para a transferência de sinais de controlepara comandos específicos, tais como read/write para memória e para cada dispositivo de I7O.

6- Os chipsets são utilizados para evitar a colisão de diferentes informações enviadas simultaneamentepor diferentes dispositivos.

7- Um membro dos chipsets é o PCI controller, que possibilita o direct access memory (DMA), ou seja, que uma informação seja transferida diretamente de um dispositivo para a RAM.

8- Uma vez que todos os dispositivos (com excepção do AGP) estão conectados ao mesmo barramento,quando um sinal de escrita aparece no traço de

comando, todos os dispositivos reconhecem esse comando.

9- Se o sinal no traço de endereço satisfaz o endereç o utilizado pelo adaptador, os dados enviados no traço de dados são aceitos e utilizados pelo dispositivo e m questão.

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O Fluxo de dados em um PC

Paulo N.M. Sampaio

Estrutura da placa-mãe• CPU:

• Componente central, que pode ter integrado um co-processador matemático.

• Memória Principal (RAM):

• Cache RAM:• Manipula dados utilizados frequentemente

pela CPU.• O Cache-controller é responsável de gerir

o conteúdo disponível em cache.

• ROM chip:• Guarda os programas e os dados necessários quando da carga do PC.

• Interface de teclado

• Direct Memory Access (DMA) chips:• Possibilita optimizar a transferência de dados

no computador, entre o disco duro e a RAM.

• Timer:• Diz ao processador periodicamente que o relógio inte rno do DOS tem que ser actualizado.

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Esquematicamente

Paulo N.M. Sampaio

O Processo de Boot

1- Ao ligar o computador, o processo POST começa com um sinal eléctricoque vai percorrer a CPU:

- Os dados deixados nos registradores de memória são liberados,- O registrador de CPU (Program Counter) é resetado com endereço da

próxima instrução a ser executada => programa de bo ot (ROM)

2- Ao invocar o programa de BOOT, a CPU realiza uma série de testes:• auto-teste,• o programa POST

3- A CPU envia um sinal para o sistema de barramento s para testar o funcionamento de todos os componentes conectados.4- A CPU também testa o timer para verificar se todas as operações

do PC estão sincronizadas.5- O POST testa a memória e os sinais de controle de vídeo, e recupera as informações de configuração da BIOS. As primeira s mensagens são apresentadas na tela.

6- O POST realiza uma sequência de testes com os chip s RAM através da escrita e leitura de dados em cada chip.7- A CPU testa se o teclado está conectado correctame nte e verifica

se alguma tecla foi pressionada.8- O POST envia sinais através do barramento para o floppy disc, CD ROM e hard disc, e espera uma resposta para verificar quai s drivers estão disponíveis.9- Os resultados dos testes são comparados com as in formações registadas no CMOS,

que é o registo dos componentes instalados. O CMOS é um tipo de memória que persiste as informações armazenadas mesmo depois do computado r for desligado. Para isso,uma pequena bateria deve alimentá-lo.

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O Processo de Boot1- Ao ligar o computador, o processo POST começa com um sinal eléctricoque vai percorrer a CPU:

- Os dados deixados nos registradores de memória são liberados,

- O registrador de CPU (Program Counter) é resetado com endereço da

próxima instrução a ser executada => programa de boot (ROM)

2- Ao invocar o programa de BOOT, a CPU realiza uma série de testes:• auto-teste,• o programa POST

3- A CPU envia um sinal para o sistema de barramento s para testar o funcionamento de todos os componentes conectados.

4- A CPU também testa o timer para verificar se todas as operações do PC estão sincronizadas.

5- O POST testa a memória e os sinais de controle de vídeo, e recupera as informações de configuração da BIOS. As primeira s mensagens são apresentadas na tela.

6- O POST realiza uma sequência de testes com os chip s RAM através da escrita e leitura de dados em cada chip.

7- A CPU testa se o teclado está conectado correctame nte e verifica se alguma tecla foi pressionada.

8- O POST envia sinais através do barramento para o floppy disc, CD ROM e hard disc, e espera uma resposta para verificar quai s drivers estão disponíveis.

9- Os resultados dos testes são comparados com as in formações registadas no CMOS,que é o registo dos componentes instalados. O CMOS é um tipo de memória que persiste

as informações armazenadas mesmo depois do computado r for desligado. Para isso,uma pequena bateria deve alimentá-lo.

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O Processo de Boot

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Boot do Disco

1- Após a verificação POST de todos os componentes d o PC, o programa de boot (residente na ROM BIOS) diz ao processador para executar um pro grama que se localiza no sector de boot de C: (ou no floppy drive ou no CD-ROM). Esse programa, o NTLDR (NTLoaDeR), indica ao processador onde encontrar mais código a ser executado.

2- No Windows XP, esse programa é o NTDETECT que detec ta e lista todo o sistema de hardware reconhecido. Essa lista é então passada para o registo do Windows, onde a mesma será disponi bilizada para outros programas.

O processo de boot do disco depende do SO instalado ( Windows XP, Linux, Windows 9x, IBM OS/2, e até DOS). No exemplo a seguir, vamos asu mir o processo de boot no Windows XP.

3- O registo dará suporte ao boot do sistema, carregan do namemória vários programas de baixo nível para o cont role de

hardware. Esses programas são assimilados pelos Win dows como parte do SO.

4- Após carregar os programas básicos para a gestão de hardware, o Windows busca por componentes plug-and-play. Dur ante esse processo também são carregados os drivers para Barra mentos PCI.

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Boot do Disco

1- Após a verificação POST de todos os componentes d o PC, o programa de boot (residente na ROM BIOS) diz ao processador para executar um pro grama que se localiza no sector de boot de C: (ou no floppy drive ou no CD-ROM). Esse programa, o NTLDR (NTLoaDeR), indica ao processador onde encontrar mais código a ser executado.

2- No Windows XP, esse programa é o NTDETECT que detec ta e lista todo o sistema de hardware reconhecido. Essa lista é então passada para o registo do Windows, onde a mesma será disponi bilizada para outros programas.

O processo de boot do disco depende do SO instalado ( Windows XP, Linux, Windows 9x, IBM OS/2, e até DOS). No exemplo a seguir, vamos asu mir o processo de boot no Windows XP.

3- O registo dará suporte ao boot do sistema, carregan do namemória vários programas de baixo nível para o cont role de

hardware. Esses programas são assimilados pelos Win dows como parte do SO.

4- Após carregar os programas básicos para a gestão de hardware, o Windows busca por componentes plug-and-play. Dur ante esse processo também são carregados os drivers para Barra mentos PCI.

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Boot do Disco

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InterrupInterrup ççõesões

• Interrompe o curso normal de execução de instruções pelo processador

• Aumenta a eficiência do processador:

– Permite ao processador efectuar outras operações enquanto operações de I/O estão em curso

• Há vários tipos de interrupções:– Program

• Overflow aritmético• Divisão por zero• Execução de instrução ilegal• Referência fora do espaço de

endereçamento do processo

– Timer– I/O– Falha de hardware

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Microprocessador (1)Microprocessador (1)

• O primeiro microprocessador foi o Intel 4004 (1971):– Adição e subtração (4 bits de cada

vez)

• O primeiro microprocessador num “desktop” foi o Intel 8080 (1974):– Um computador de 8-bits

• O primeiro microprocessador num IBM PC (1979-1982) foi o Intel 8088 e depois:– 80286, 80386, 80486, Pentium,

Pentium II, Pentium III, Pentium 4– Pentium V de 5GHz a 7GHz, ainda

não é comercializado

1. Introdução

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Microprocessador (2)Microprocessador (2)

• Executa instruções máquina:– A ALU (Arithmetic/Logic Unit)

executa operações matemáticas (adição, subtracção, multiplicação e divisão)

– Microprocessadores actuais suportam operações de vírgula flutuante

– Move dados entre posições de memória

– Efectua testes de variáveis e salta para um novo conjunto de instruções em funções do resultado dos testes

1. Introdução

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PerifPerif ééricosricos

1. Introdução

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Mouse (Rato)Mouse (Rato)• Objectivo:

– Traduzir o movimento da mão em sinais que o computador• Componentes:

– Bola dentro do rato que rola no tapete– Dois rolos que estão em contacto com a bola– Cada rolo está acoplado a uma roda dentado com furos– Cada roda tem ao lado, em faces diferentes, um led e um sensor

infra-vermelhos– Um processador lê os impulsos detectados pelo sensor infra-

vermelho e traduz em dados que são depois processados pelo controlador

• Ligação é feita via PS/2 ou USB• Mais recente: rato óptico

1. Introdução

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MonitorMonitor• Characteristics:

– Tecnologia de “display” (CRT ou LCD), cabos (e.g. VGA), área visível, resolução, refrescamemto, etc.

• 1981:– IBM introduziu Color Graphics Adapter (CGA),– Quatro cores, resolução máxima de 320 pixels horizontais e 200 pixels verticais.

• 1984:– IBM introduziu Enhanced Graphics Adapter (EGA)– 16 cores, resolução máxima de 640x350 pixels,

• 1987:– IBM introduziu Video Graphics Array (VGA)– Maioria dos computadores suportam VGA.

• 1990:– IBM introduziu Extended Graphics Array (XGA)– suporta resolução máxima de 800x600 pixel com 16.8 milhões de cores e resolução

máxima de 1024x768 com 65536 cores• Actualemente, maioria dos monitores suporta Ultra E xtended Graphics

Array (UXGA) standard:– UXGA suporta até 16.8 milhões de cores e resolução até 1600x1200 pixels (depende

ca carta de vídeo e memória do computador)

1. Introdução

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DiscosDiscos

• Normalmente, cada PC tem um disco entre 10 Gb e 80 G b• Os dados são guardados em disco na forma de ficheir os:

– Um ficheiro é simplesmemte um conjunto de bytes– Bytes podem representar caracteres de um documento word,

instruções de um programa, música em mp3, imagens em GIF, etc.

– Quando um programa precisa de aceder a um ficheiro, o sistema operativo efectua todo um conjunto de acções até obter do disco od dados em causa

1. Introdução

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USBUSB

• Motivação para Universal Serial Bus:– Dificuldade em ligar periféricos aos

computadores• No passado:

– Impressoras era ligadas ao porto paralelo e os PCs só têm um (usualmente)

– “Zip drives” precisam de ligação rápida (usando o porto paralelo)– Modems usam o porto série assim como PDAs e máquinas

fotográficas, etc.– Maioria dos computadores têm apenas duas portas série (que são

lentas)• USB:

– Ligação única, standard, que permite ligar até 127 periféricos– Cada periférico pode ter no máximo 6 Mbps de largura de banda

• Actualmente:– Maioria dos periféricos suportam ligação via USB

1. Introdução

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