Ana Paula de Oliveira Enock

 Introdução à arquitetura de computadores

 Conceitos básicos de arquitetura de computadores

 Entrada, Processamento e Saída de dados

 Níveis de Organização

Conhecimento básico em informática 

Interesse em conceitos básicos relacionados ao Hardware

 Interesse em adquirir conhecimento específico

O   termo “Arquitetura de Computadores” foi empregado pela primeira vez em um livro editado por Werner Buzhholz: o Planning a Computer System: Project Stretch de 1962, onde Frederick Brooks introduziu o termo no capítulo intitulado “Architectural Philosophy”. Duas décadas mais tarde Jean-Loup Baer examina minuciosamente o termo e chega a conclusão de que Arquitetura de Computadores é um conjunto de componentes que  faz parte do computador.

Entende-se que quando o programador estiver utilizando uma linguagem de programação ou a linguagem de montagem, é preciso compreender a máquina em seu conjunto.

"A arquitetura de computadores se refere ao comportamento de um sistema computacional visível para o programador, ou seja, aos aspectos relacionados com a execução lógica de um programa. A organização de computadores se refere às unidades estruturais e seus relacionamentos lógicos e eletrônicos." (STALLINGS, 2010).

O computador trabalha seguindo uma sequência de passos ou instruções que são estabelecidas por homens para resolver um problema ou gerar algum resultado. Estes passos são chamados de algoritmos, que é uma sequência lógica e finita de instruções. Dessa forma, define-se então que um ou mais algoritmos compõem programas de computadores, os chamados softwares, classificando-os como parte lógica cuja função é fornecer instruções para o hardware.

O hardware é a parte estruturada e física do computador que é composta por circuitos eletrônicos e lógicos. É a parte "palpável" formada pelos componentes eletrônicos como, dispositivos de entrada e saída (monitor, teclado, mouse), dispositivos de armazenamento, processador. E software são responsáveis por pegar o algoritmo, modificá-lo e o transformar em programas que solucionarão os problemas propostos. Portanto, a Arquitetura de Computadores busca compreender os elementos do hardware que compõem o computador com a junção do sistema computacional, sendo possível utilizar os recursos do processador em sua totalidade. Para uma máquina ser considerada um computador é necessário que nela contenha os seguintes elementos básicos: processador, memória, dispositivos de entrada e/ou saída e é considerada eficiente em resolução de problemas complexos com grande volume de dados. Os elementos básicos do computador é retratado na figura, a seguir: 

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Figura 1. Elementos básicos do computador. 

• O Processador é um circuito integrado que é responsável por realizar todas as funções do computador e efetuar o processamento de dados de instruções estabelecidas pelo usuário.​​​​​​

• A memória é responsável por armazenar todos os dados do dispositivo. A memória principal é denominada de memória RAM que é caracterizado pelo armazenamento de dados enquanto o computador estiver ligado. É constituída também pela memória Cache e memória secundária, que serão explicadas na seção de Memória e Barramento.

• Os periféricos são dispositivo de entrada e saída que recebem as informações do computador e por isso conseguem obter troca de informações. Estes dispositivos são responsáveis também pela comunicação entre a máquina e o homem.

• O barramento é um agrupamento de fios ligados por função que farão a ligação e comunicação entre os componentes do computador.

Os computadores utilizam o sistema binário para realizar cálculos, que serão realizados na ULA (Unidade Aritmética e Lógica), para a resolução de problemas e processamento de dados. Para melhor explicação, a seguir será feito uma comparação com o sistema de cálculos utilizados por seres humanos.

Para realizar cálculos, é utilizado o sistema decimal. E por isso ao te perguntarem quanto é 5+5 você certamente dirá 10. Por sua vez, em computadores é trabalhado apenas com sistemas binários, ou seja, apenas  os algarismos 0 e 1, e utiliza-se a lógica binária atrelada a booleana (true ou false; sim ou não; ligado ou desligado). Logo, ao realizar a mesma operação utilizando um computador, essa informação será transformada em número binário e a conversão será feita com tamanha rapidez que não irá interferir no tempo de resposta. Qualquer instrução inserida no computador é transformada em binário, sendo elas int, string, char, ou de qualquer outro tipo. Para se converter um número qualquer em binário existem diversas maneiras.

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Figura 2. Transformando número decimal para sistema binário. 

No exemplo acima basta você pegar o número que deseja transformar em binário e comparar com os números da tabela. Como no exemplo, escolha um número, nesse caso será utilizado o número 22. Comece da esquerda para a direita, perguntando-se: 22 é maior que 128? Se a resposta for sim insira 1, senão insira 0. No caso obviamente a resposta é não, então insira 0 e continue. 22 é maior que  64? Não, insira 0. E assim respectivamente até chegar no 16; 22 é maior que 16? Sim. Então insira 1. Após isso você irá fazer 22-16 = 6 e dará continuidade; 6 é maior que 8? Não, insira zero. 6 é maior que 4? Sim, insira 1. Faça 6-4 = 2; 2 é menor ou igual a dois? Sim; então insira 1. Repita esse processo até chegar ao final da tabela, no número 1. Perceba que esse processo não é visto pelo usuário, sendo feito por um conjunto de instruções, arquitetada por vários elementos que compõem a estrutura do computador, a seguir será descrita as principais.

Segundo o modelo de Von Neumann, o modelo de um computador ideal seria utilizar o sistema binário para codificar as instruções; e que todas as instruções sejam armazenadas na memória e que também fossem carregadas direto da memória. Os computadores digitais baseiam-se no modelo de Von Neumann,  listado a seguir:

• Unidade de entrada – Provê instruções e dados ao sistema.

• Unidade de memória – Armazena os dados do sistema.

• Unidade lógica e aritmética – Processa os dados.

• Unidade de controle – Controla a execução das instruções e o processamento dos dados.

• Unidade de saída – Apresenta os resultados dos dados processados.
  
  
  

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  Figura 3. Modelo de Von Neumann 
  
  

A tarefa principal de um computador é o processamento de dados, onde é realizado diversos cálculos para que dados sejam manipulados e transformados em informação útil. A seguir, será apresentado os principais dispositivos que atuam no processo de entrada de dados, processamento e saída de informações.

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Operações de entrada e saída são basicamente realizadas pelo usuário através dos dispositivos de entrada, por isso são responsáveis pelas interações entre o computador e o mundo externo (usuários) . Alguns exemplos destes acessórios são: monitor, teclado, mouse, webcam, impressora, CD, DVD, pendrive. Quando o usuário deseja realizar alguma operação através destes dispositivos, o computador deve processar essas informações e guardá-las em algum local. Estas informações são arquivadas no processador e guardadas na memória, como apresentado a seguir.

O processador (UCP - Unidade Central de Processamento) é um circuito integrado e é considerado o cérebro do computador. É responsável por executar os programas e por isso deduz que, quanto mais rápido é o processador, mais rápida será a execução dos programas. A UCP é composta por três diferentes áreas que trabalham em conjunto:

• Unidade Aritmética e Lógica (ULA): Cuja função é executar operações indicadas pelas instruções de um programa, sendo elas lógicas ou aritméticas. O trabalho da ULA é apoiado por diversos registradores.

• Unidade de controle (UC): Controla as ações a serem realizadas pelo computador, comandando também os demais componentes de sua arquitetura, garantindo a correta execução dos programas.

• Registradores: Estão memorizados todos os elementos realizados pela UCP, contendo instruções, endereços de memória, etc. Asseguram o armazenamento temporário de informações importantes para o processamento de uma dada instrução. Para entender melhor, pode-se comparar os registradores a memória, contendo apenas diferenças de localização, capacidade de armazenamento, e tempo de acesso às informações.

• Clock  : É responsável por sincronizar e ditar a medida de velocidade de transferência de dados no computador, sendo, a frequência com que o processador consegue executar as tarefas. Quanto maior a frequência do clock, menor é o tempo de execução e, portanto, mais rápido é o processador

  
  

A Memória é, basicamente, um conjunto de circuitos capazes de armazenar dados e todos os programas que serão executados pela máquina. Existem diferentes categorias de memória que atuam de maneira distinta e em conjunto, sendo elas:

• Memória Principal: Contém os programas e dados a serem manipulados pelo processador;

• Memória Secundária: Armazena uma maior quantidade de dados e instruções por um maior período de tempo;

• Memória Cache: Pequena porção de memória, com curto tempo de resposta, geralmente interligada aos processadores, permitindo maior desempenho durante a execução de um programa. Após os dados entrarem, serem processados e armazenados, eles são "devolvidos" ao usuário, seja por meio de dispositivos de saída ou não;

• Barramento: Como explicado antes, o barramento é responsável por interligar todos os componentes listados acima, sendo, de uma via de comunicação composta por diversos fios ou condutores elétricos por onde circulam os dados manipulados pelo computador.​​​​​​​

A imagem a seguir resume o esquema explicado acima:​​​​​​​

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Figura 4. Esquema do funcionamento da memória e barramento. 

Para finalizar, será apresentado a seguir os níveis de organização de um computador, desde o nível mais baixo dos transistores até o mais alto, que é a interação com o usuário.

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Figura 5.  Níveis de organização de um computador.

1. Usuário, programa ou aplicativo: Neste nível é que ocorre a interação usuário e computador, através de programas.

2. Linguagem de alto nível: Nível em que o programador desenvolve os programas, através de linguagem de alto nível, como, por exemplo, C#, Java ou qualquer outra linguagem de programação.

3. Linguagem de máquina: As instruções são interpretadas e executadas pelo processador, como descrito no tópico de entrada, processamento e saída deste tutorial. Os programas escritos em alto nível são traduzidos para uma linguagem de baixo nível ou linguagem de máquina denominada Assembly.

4. Controle: A unidade de controle dentro do processador efetua transferência de dados entre os registradores, memória, dispositivos de entrada e saída.

5. Unidades funcionais: O registradores internos da UCP são organizados de acordo com a função que desempenham para realizar a transferência de dados.

6. Portas Lógicas: Nível mais baixo de funcionamento do computador, sendo as unidades funcionais desenvolvidas através de portas lógicas.

7. Transistores e Fios: Nível mais baixo do computador, composto por componentes eletrônicos e fios, sendo as portas lógicas implementadas através desse nível.

Por conseguinte, este tutorial mostra o sistema funcional e arquitetura de um computador. Espera-se que tenha alcançado objetivo e ajudado no aprendizado sobre o assunto. 

Arquitetura de Computadores

Organização e Arquitetura de Computadores

Este tutorial foi adaptado do tutorial "Introdução à Arquitetura de Computadores" desenvolvido por Bárbara Ferreira e Jéssica Mota.