A estrutura de um computador digital

Objetivos:
Conheça as principais unidades que compõem a arquitetura de um computador digital, as funções de cada uma delas e como elas estão organizadas para que a troca de informações e o processamento de dados sejam realizados de forma organizada e eficiente.
Recursos e materiais:
Nenhum
Última atualização:
17/02/2020
Aulas do capítulo:

Em nossa primeira aula, conhecemos um pouquinho mais sobre a história dos computadores, como eles começaram como simples máquinas calculadoras e evoluíram até os modelos complexos de hoje. Aprendemos também que o segredo do processamento deles está nos inúmeros transistores que compõem o núcleo de um único processador. Mas quais os outros componentes de um computador? Quais as funções de cada componente, para que as informações sejam transmitidas de forma organizada e eficiente? Continuando nossa jornada pelo mundo da computação, conheceremos agora a estrutura de um computador digital.

Primeiramente, é importante entendermos que, por computador digital, não nos referimos apenas aos desktops e notebooks a que estamos acostumados. Um computador digital pode ser qualquer dispositivo capaz de receber informações e processá-las através de operações artiméticas e lógicas, definidas por um programa de computador. Por isso, também podemos considerar nessa categoria nossos smartphones, tablets e muitas das placas de desenvolvimento disponíveis no mercado atualmente, como Arduino, Raspberrys e Beaglebones.

Raspberry: Exemplo de um minicomputador digital
Raspberry: Exemplo de um minicomputador digital

De forma bem geral, as informações a serem processadas em um computador digital são introduzidas através dos chamados dispositivos (ou periféricos) de entrada. Os resultados desse processamento são enviados de alguma forma ao usuário através dos dispositivos de saída. Uma memória primária troca informações e armazena os dados e programas contendo as instruções de processamento, que fica sob responsabilidade da CPU. Essa estrutura de um computador digital é ilustrada na Figura 2 e descrita com um pouco mais de detalhes a seguir.

Resumo da estrutura de um computador digital
Resumo da estrutura de um computador digital

Barramentos

Conforme podemos observar na Figura 2, a comunicação entre cada um dos componentes de um computador digital só é possível devido aos barramentos. Um barramento de dados permite que a CPU, memória e periféricos de entrada e saída enviem e recebam (fluxo bidirecional) qualquer tipo de dados. Além disso, um barramento de endereços possibilita à CPU indicar à memória e aos dispositivos de entrada e saída (fluxo unidirecional) os endereços de memória dos dados que ela utilizará durante o processamento, bem como onde o resultado do processamento será armazenado. Por fim, um terceiro barramento controla as ações dos dois barramentos anteriores (fluxo bidirecional).

Memória primária

A memória primária (ou memória interna), é aquela que se conecta diretamente à CPU e aos dispositivos de entrada e saída, trocando informações de dados, endereços e controle com esses componentes. Ela se divide em memória principal, memória de leitura e memória cache.

A memória principal, também conhecida por memória central ou memória RAM (Random Access Memory), é responsável por armazenar os dados e os programas em execução. Por ser uma memória volátil, é capaz de armazenar informações somente enquanto o computador está ligado.

Ela é organizada na forma de uma uma pilha de 2n registradores, que recebem endereços numerados em sequência, de 0 a 2n – 1. Cada um desses endereços armazena informações de até n bits, sendo que o valor de n pode variar entre 8, 16, 32, 64 ou até 128, dependendo da configuração da CPU. No caso ilustrado pela Figura 3, por exemplo, temos um computador de 32 bits, com os registradores de 0 à 211 e de 231 à 232 – 1 já ocupados pelo sistema operacional e pelos dispositivos de entrada e saída.

Exemplo de uma de memória RAM
Exemplo de um mapa de memória RAM

A memória de leitura, também chamada de memória ROM (Read Only Memory), é uma memória não-volátil, que já vem instalada na placa-mãe do computador e contém informações essenciais para o adequado funcionamento da máquina. Ela recebe esse nome por não permitir nenhum registro de dados além daqueles gravados no momento de sua fabricação, embora, em alguns casos, principalmente em microcontroladores, o armazenamento de informações nesse tipo de memória seja permitido.

Por fim, quando os processadores desenvolvidos alcançaram velocidades muito superiores às da memória RAM, começaram a ocorrer situações em que a CPU precisava ficar parada, na espera de informações que deveriam ser enviadas pela memória principal. Como forma de resolver esse problema, foi desenvolvida também a memória cache, uma memória ultra-rápida que armazena os dados mais frequentemente utilizados pelo processador, substituindo, em parte, a necessidade da memória RAM.

Memória secundária

A memória secundária, também chamada de memória de armazenamento em massa ou memória externa, como o nome sugere, fica externa ao computador e, por isso, não aparece na arquitetura mostrada na Figura 2. Por permitir o armazenamento de informações em longo prazo, essa memória é classificada como uma memória não-volátil e, como exemplos, podemos citar os discos rígidos, CD’s, DVD’s, Blu-rays e disquetes. Além disso, a memória secundária é sempre mais lenta quando comparada à memória principal.

Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU – Central Processing Unit)

A Unidade Central de Processamento é composta por uma Unidade Lógica e Aritmética (ULA) e uma Unidade de Controle (UC), além de registradores similares aos da memória principal, que tem objetivo de permitir o adequado armazenamento e troca de informações entre a ULA e a UC.

A Unidade Lógica e Aritmética corresponde ao sistema do computador que realiza operações lógicas (comparações E, OU, NÃO, etc.) e aritméticas (soma, subtração, multiplicação e divisão). Já a Unidade de Controle, operando sob instruções do programa que está na memória principal, é responsável por sequenciar todo o sistema, sincronizando operações e gerenciando o fluxo de dados e de instruções para dentro e fora da ULA. É de responsabilidade da UC, por exemplo, informar à ULA em quais registradores estão as informações de entrada, ativar os circuitos lógicos necessários para as operações e informar em quais registradores o resultado do processamento deve ser armazenado.

Unidades de entrada e saída

Finalmente, fazem também parte da estrutura de um computador digital, os dispositivos de entrada e saída. Os periféricos de entrada fornecem o meio pelo qual os dados e as instruções são transmitidos do mundo externo para o computador. Dentro de uma grande variedade desses dispositivos, podemos citar os teclados, mouses e scanners. Os dispositivos de saída, por outro lado, transmitem a informação no sentido contrário e são necessários para que o computador seja capaz de apresentar qualquer informação ao usuário. Como exemplo desses periféricos, temos as impressoras, os monitores de vídeo e as caixas de som.

Os programas de computador que viermos a desenvolver poderão fazer uso de todas essas unidades e darão vida aos sistemas que projetarmos. Através desses programas, poderemos, por exemplo, receber informações de sensores, calcular ações de controle e acionar atuadores conforme necessário. Para aprender mais sobre o mundo da Mecatrônica, não deixe de se cadastrar em nosso blog clicando aqui, para ficar por dentro de todas as novidades.

Referências bibliográficas

G. Farias, “A Arquitetura de um Computador”. Online. [Acesso em 03 Fevereiro 2018].
J. M. Barreto, “Memórias”. Online. [Acesso em 04 Fevereiro 2018].
T. Tavares & M. Couvre, “Unidade Lógica e Aritmética”, 2015. Online. [Acesso em 25 Janeiro 2018].
R. d. G. N. Filho, “A Organização de um Computador”. Online. [Acesso em 25 Janeiro 2018] A. A. T. Maia, “Fundamentos da Computação – Algoritmos – Programação em Linguagem C”. Universidade Federal de Minas Gerais, 2013.

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