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Introdução à Informática
Arquitectura dos
computadores
Escola Superior de Tecnologia e Gestão
Instituto Politécnico de Bragança
Outubro de 2006
Introdução à informática Arquitectura dos computadores 2
História (1)
• ENIAC, 1945– 1800 válvulas
– 100m2 de área
– 5000 adições e 500 multiplicações por segundo
Substituição de uma válvula Programação do ENIAC
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História (2)
• Invenção do transístor (finais dos anos 50)
• Invenção dos circuitos integrados (anos 60)
• Invenção do microprocessador (anos 70)
• Cada vez maior integração
• Cada vez maior capacidade
• Cada vez menor custo
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Computador - Definição
• Máquina ou conjunto de dispositivos mecânicos, electrónicos e electromecânicos, capazes de processar dados
• Sistema eléctrico de manipulação de símbolos, rápido e preciso, que recebe dados de entrada (input), armazena-os, processa-os e produz resultados (output) sob direcção de um conjunto detalhado de instruções (programa)
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Hardware e Software
• Hardware– Dispositivos físicos (electrónicos, mecânicos e electromecânicos)
• Software– Programas do computador (conjuntos complexos de instruções) que fazem funcionar o Hardware sob intervenção mais ou menos interactiva do utilizador
– Software de sistema:• S. O.• Primeira “camada” de software• Conjunto de instruções que transformam o hardware num sistema com o qual o utilizador pode efectuar determinadas tarefas ou fazer funcionar os programas
– Software de aplicação:• Engloba todo o tipo de programas de computador• Permitem realizar tarefas específicas ou genéricas (p. ex.: Facturação, Processamento de Texto, etc.)
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Arquitectura interna
• Existe uma grande diversidade de soluções e uma grande competitividade entre fabricantes
• A competitividade tem constituído um dos grandes motores da informática
• Infelizmente, a diversidade de arquitecturas resulta, por vezes, na existência de algumas incompatibilidades entre sistemas
• Apesar da diversidade de arquitecturas, existe uma organização base que é comum a todos os computadores modernos
• O hardware de qualquer computador pode ser visto como um conjunto de três blocos interactivos:– Processador– Memória– Periféricos
• Estes componentes são interligados por um barramento (bus) através do qual é transmitida a informação
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Máquina de von Neumann• Modelo proposto para um computador por volta de 1940• Modelo inicial:
– Elemento processador segue as instruções armazenadas numa memória de programas, para ler canais de entrada, enviar comandos para canais de saída e alterar as informações contidas numa memória de dados
• Estrutura em barramento – base dos computadores modernos– memórias de dados e de programa são fundidas numa memória única, e as comunicações entre elementos são efectuadas através de uma via comum de alta velocidade
Entradas
PPrroocceessssaaddoorrMemória deProgramas
Memória deDados
Saídas
Memória
PPrroocceessssaaddoorr
Periféricos
Barramento
Modelo inicial Estrutura em barramento
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Componentes• O computador é constituído a partir de placas de circuito impresso onde são ligados os circuitos integrados (processador, memória, etc.) e outros componentes
• As placas de circuito impresso possuem pistas muito finas de um metal condutor que permitem interligar electricamente os diversos componentes
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Placa Principal• Placa Mãe (Motherboard ou Mainboard)• Placa onde são colocados ou ligados todos os outros componentes do computador– Processador– Memórias (RAM, ROM e Cache)– Controladores– Slots de expansão
• Tem como função permitir que o processador comunique com todos os periféricos instalados com maior velocidade
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Esquema da motherboard
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Motherboard – um esquema real
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Estrutura Básica de um Computador
Unidades de Entrada Unidades de Saída
UC
UAL
Registos
UCP
Primária
Secundária
Memória
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Unidade Central de Processamento• Unidade porque é só uma• Central porque é o componente fundamental do computador• Processamento porque é nesta unidade que a informação é processada• Vulgarmente conhecida como microprocessador do computador
– É o verdadeiro cérebro do computador• É responsável por executar as instruções do software• O controlo da memória e dos periféricos é também da responsabilidade do processador
• Circuito integrado com muitos milhares de dispositivos electrónicos para efectuar as operações de processamento da informação
• Tem como função obter, descodificar e executar instruções e de transferir informações para e de outros recursos através do barramento
• Microprocessador (Ex: Intel Pentium IV a 3,2 GHz)• Grande parte da enorme evolução tecnológica a nível das tecnologias de
informação deve-se principalmente à evolução deste componente
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UCP - Secções• Secções e componentes fundamentais:– Secção de Aquisição e Descodificação de Instruções
– Secção de Execução:• Unidade de Controlo (UC)
• Unidade Aritmética e Lógica (ALU)
• Registos ou Registers
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UCP – Unidades constituintes• Processa as instruções e dados recebidos da Secção de Aquisição e Descodificação de Instruções
• Constituída pelas seguintes componentes:– Unidade de Controlo (UC):
• Selecciona as instruções segundo a ordem de execução• Interpreta (descodifica) as instruções• Activa as operações da máquina que executam cada instrução• Controla as transferências de dados• Controla a sequência das instruções
– Unidade Aritmética e Lógica (ALU)• Precisa de operandos e código da operação para executar instruções• Efectua as operações aritméticas e operações lógicas• Pode ter duas unidades diferentes para tratar nº reais (co-processador) e inteiros
– Registos• Componentes que armazenam dados temporariamente• Utilizados pela ALU para efectuar operações• Tempos de acesso muito baixos• Baixa capacidade de armazenamento
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Execução de programas
• Um computador executa um programa guardado na memória copiando as instruções para a unidade de controlo
• As instruções são extraídas para a Unidade de Controlo, uma de cada vez, de uma forma sequencial
• A Unidade de Controlo possui dois registos essenciais para a execução de um programa:– Program Counter (contador de instruções): registo da UC que guarda o endereço da próxima instrução a ser executada; possibilita saber qual a próxima instrução em qualquer parte do programa
– Instruction Register (registo de instruções): guarda a instrução que está a ser executada
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Arquitectura de um computador
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O ciclo da Máquina
1. Retirar a instrução apontada pelo Program Counter
2. Descodificar a instrução
3. Executar a acção associada à instrução
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Medidas do desempenho de um processador
• O desempenho do CPU pode ser medido em função de dois factores:– Capacidade (ou comprimento) da palavra: ou seja o nº de bits que são utilizados para transferir dados interna e externamente em cada ciclo
– Frequência do relógio: determina o número de ciclos por segundo (número de palavras que pode ler por segundo) e estáneste momento, expresso em GHz (109 ciclos por segundo)
• Hoje em dia os processadores que equipam os computadores pessoais correntes funcionam tipicamente com frequências de relógio de 200 MHz a 3,4 GHz
• O Pentium 4, o mais recente modelo de processador da Intel, atingiu já uma frequência de relógio de 3,4 GHz
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UCP - Lei de Moore
• Durante a década de 70, Gordon Moore, era o presidente da Intel e lançou uma profecia que dizia que a partir daquele momento o poder de processamento dos processadores duplicaria a cada 18 meses. Esta profecia tornou-se tão verdadeira que acabou por se tornar na famosa “lei de Moore”
• Mas, sendo assim até quando é que os processadores podem evoluir? Até onde a lei de Moore pode continuar a ser válida?
• O que é que possibilitou esta evolução?– VLSI (Very Large Scale Integration)
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Evolução dos processadores• Intel 8086 (1978), 16 bits, 1 MHz• Intel 8088 (1979), 16 bits, 4 MHz• NEC V20 e V30 (1981), clones dos anteriores, mas 30% mais rápidos• Intel 80186 (1981), 16 bits, 8 MHz a 25 MHz, memória até 1 MB• Intel 80286 (1982), 16 bits, 6 a 20 MHz, memória até 16 MB, suportava o protected mode
(possibilitava a multitarefa) usados nos PC AT da IBM• Intel 386 (1988), 32 bits, 16 a 40 MHz• Intel 486 (1991), 32 bits, 33 a 100 MHz• Intel Pentium (1993), 64 bits, 75 a 233 MHz, 100 MIPS• Intel Pentium MMX (1997), 64 bits, 166 a 266 MHz, 10 a 60% mais rápidos que os anteriores• Intel Pentium II (1997), 233 a 450 MHz• Intel Celeron (1998), 266 a 700 MHz, mais económicos para fazer face à concorrência• Intel Pentium III (1999), 450 MHz a 1.13 GHz• Intel Pentium IV (2000), 1.4 GHz a 3,4 GHz• …
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Memórias ou dispositivos de armazenamento
• É à memória que compete armazenar as sequências de instruções, os dados relevantes para essas instruções e os resultados das mesmas
• É o CPU, no entanto, que controla que informação é armazenada na memória e em que local da memória ela éarmazenada– funciona como um armazém de informação à disposição do processador
• Dividida em pequenos blocos sequenciais, cada um identificado por um endereço, através do qual se pode aceder a cada um dos blocos para leitura ou escrita de unidades de informação
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Parâmetros de classificação de memórias
• Tempo de Acesso– Tempo que a UCP demora a aceder à memória
• Capacidade de Endereçamento– Distingue qual o menor valor endereçável na memória (medida em bits ou bytes)
• Tamanho– Limita a quantidade de informação que é possível armazenar (medido em bits ou bytes)
• Tipo de Acesso– Sequencial – para aceder a determinada posição de memória é necessário ler ou passar por todas as posições anteriores
– Aleatório – o acesso é feito directamente à posição que se pretende ler• Capacidade de Leitura e de Escrita
– Todas as memórias permitem que se leia o seu conteúdo (excepto as intencionalmente protegidas), mas nem todas permitem que se escreva nelas
• Volatilidade– Falta de capacidade da memória reter indefinidamente a informação
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Tipos de memória• Principal, Primária ou Central
– encontram-se em contacto directo com o CPU, fornecendo-lhe instruções e os dados com que este opera, e dele recebendo dados resultantes do seu processamento
• Auxiliar, Secundária ou Externa– suportes de armazenamento de informação que interessa guardar para além do tempo em que é utilizada a memória primária
– Armazenamento externo de dados• Cache
• Virtual
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Memória primária (1)• RAM (Random Access Memory)
– Permite leitura e escrita peloprocesador
– Tempos de acesso muito rápidos e de tipo aleatório
– Volátil– Preço relativamente elevado– Guarda os programas e o dados com que o computador trabalha em cada sessão
– Tipos:• DRAM (Dynamic RAM)
– Transístores e Condensadores
• SRAM (Static RAM)– Circuitos “flip-flop”– Mais rápidas e mais caras
• VRAM (Video RAM)– Operações de leitura e escrita
simultânea
• NVRAM (Flash RAM)– Não perde os dados quando desligada
DRAM
FPM DRAM
EDO DRAM
SDRAM - permite a leitura ou o armazenamento de dois dados de cada vez
DDR SDRAM - 2 vezes mais rápida que a SDRAM
RDRAM – usada em substituição da VRAM nalgumas placas gráficas
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Memória primária (2)• ROM (Read-Only Memory)
– Apenas leitura, pois o processo de escrita é realizado uma única vez pelo fabricante não podendo ser alterado pelo processador
– Acesso rápido – Não volátil– Necessária ao arranque da máquina: inclui instruções de rotina para o funcionamento básico do computador (Operações de arranque ou de interacção com os dispositivos de Entrada/Saída)
– Tipos:• PROM (Programable ROM)• EPROM (Erasable and
Programable ROM) - geralmente usado para armazenar a BIOS do computador
• EEPROM (Electronic EPROM) • FlashROM – permite actualização da BIOS por disquete ou atémesmo pelo sistema operativo
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Memória Cache• Memória com velocidade de funcionamento superior à RAM • Constituída por memória SRAM• É mais cara que a RAM e a capacidade de armazenamento reduzida
• Colocada entre a RAM e o processador com o objectivo de fornecer instruções e dados de uma forma mais rápida, diminuindo os tempos de espera do processador– Evita ler ou escrever directamente na memória RAM
• Cache interna (L1)– Integrada no processador – muito rápida– Baixa capacidade
• Cache externa (L2)– Tempos de acesso superior à anterior– Segmento de memória cache externo ao CPU– Maior capacidade que a anterior
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Memória Virtual
• Técnica usada para permitir a um computador trabalhar com mais memória RAM do que aquela que foi instalada na máquina– “Aumenta” a memória física do computador
• Parte do disco é usada como se fosse memória
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Memórias Secundárias (1)• Memórias de Massa • Armazena, de forma permanente, informação que não estáa ser utilizada– Como a memória RAM é volátil, se não existisse nenhuma forma alternativa de armazenar os programas e os dados, estes perder-se-iam cada vez que desligássemos o computador
• Características:– Grande capacidade de armazenamento– Lentas: tempos de acesso bastante superiores aos das memórias do tipo primário
• Modo de acesso aos dados:– Sequencial
• Utilizados para Backups– Aleatório
• DASD - Direct Access Storage Devices• Mais utilizados
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Memórias Secundárias (2)• Dois tipos de suportes:
– Magnéticos
– Ópticos
• Suportes Magnéticos– Discos, disquetes e fitas
– Revestidos por uma substância magnética, cujas partículas codificam os dados conforme a orientação dos respectivos campos magnéticos
• Suportes Ópticos– CD-ROM, DVD
– Leitura e gravação baseada em tecnologia laser
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Memórias Secundárias - exemplos• Disco rígido ou disco duro (HD –
Hard disk)– Dispositivo principal e mais comum– Grande capacidade de armazenamento (actualmente na ordem dos 40 aos 250 Gbytes)
– Preço por Mbyte muito inferior ao da RAM
– Permite leitura e escrita, com acesso praticamente aleatório por intermédio de um conjunto de cabeças de leitura/escrita
– Tempos de acesso elevados– Não volátil– Conjunto de pratos metálicos sobrepostos, em que cada prato tem uma estrutura idêntica a uma disquete
– Encerrado em vácuo– Maior durabilidade– Pistas concêntricas e sectores– Falta de portabilidade
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Memórias Secundárias - exemplos• Disquetes - pequeno disco flexível (Floppy Disk)
– Dividida em pistas concêntricas e sectores
– Tempos de acesso elevados
– Portabilidade
– Pequena capacidade e falta de fiabilidade
– Custo por MB superior e mais lentas que discos rígidos
Formato Capacidade
8” 180 Kb 360 Kb
5 ¼” 360 Kb 1,2 Mb
3 ½”DD HD
720 Kb 1,44 Mb
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Memórias Secundárias - exemplos
• Zip´s– Desenvolvido pela Iomega– Resolver o problema da falta de capacidade das disquetes tradicionais
– Invólucro rígido e capacidades de 100 ou 250MB– Muito mais caras que as tradicionais – Exigem unidades próprias para leitura/escrita - ZIP Drives
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Memórias Secundárias - exemplos• CD-ROM - Compact Disk - Disco compacto
– Discos ópticos: leitura e escrita por laser– Uma Pista em espiral e sectores– Velocidade de acesso - medida em relação a uma velocidade base (single speed): 8x, 10x … 50x, ou mais
– Vantagens:• Capacidade de armazenamento superior 650 MB a 700 MB (cerca de 500 disquetes)
• Maior durabilidade da informação• Transporte fácil
– Desvantagens• Tempo de acesso elevado (um pouco maior que o do disco rígido)• Os leitores não permitem apagar e regravar
• Tipo de CD’s– CD-ROM - Apenas leitura– CD-R, WORM (Write Once, Read Many)– CD-RW – Regraváveis– DVD – Maior capacidade
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Memórias Secundárias - exemplos
• Fitas Magnéticas– Permite armazenar muita quantidade de informação
– Económicos
– Utilização quase exclusiva para sistemas de cópias de segurança - backup
– Tempos de acesso elevados
– Acesso sequencial
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Memórias Secundárias - exemplos
• Pen-drives
– Utilizam-se como um disco, mas são compostos por circuitos integrados
– Rápidos e muito pequenos
– Portáteis• Porta-chaves, caneta, e relógio
– Capacidade considerável (32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB)
– Ligam-se à porta USB do computador
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Hierarquia da memória
• À medida que descemos na hierarquia da memória temos:– custo por bit decrescente– capacidade crescente– tempo de acesso crescente– frequência de acesso à memória pelo CPU decrescente
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Barramento ou bus
• Conjunto de fios na motherboard por onde circulam os dados entre a UCP, a memória RAM e as placas de expansão de periféricos. Engloba 3 tipos de canais:– Bus de dados
– Bus de endereços
– Bus de controlo
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Barramento• Canais de fios condutores que fazem a ligação entre os componentes internos de um computador
• Velocidade inferior à da UCP • A sua estrutura e a dos conectores de expansão, e a disposição das peças internas definem a arquitectura do barramento
• Barramento local ou de sistema– Interliga a UCP à memória
• Barramento de Entrada e Saída– Interliga todos os outros dispositivos ao barramento local– Menor velocidade que o anterior– Interno
• Liga dispositivos existentes em praticamente todos os PC’s: teclado, portas série/paralela, drives.
– Externo• Ligação aos slots de expansão onde se ligam as placas de expansão
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Esquema do barramento
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Motherboard - Características
• A arquitectura do bus e dos slots de expansão definem a forma como estão interligados todos os componentes e periféricos desse computador e a velocidade a que a informação é transmitida:
• Ao longo do tempo, foram sendo desenvolvidos vários tipos de barramentos:– 3 arquitecturas principais:
• ISA (Industry Standard Architecture)
• VLB (Vesa Local Bus)
• PCI (Peripherical Component Interconnect)
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Arquitecturas do barramento
• ISA (Industry Standard Architecture)– ISA XT - 8 bits, usada para o 1º PC da IBM– ISA AT – 16 bits, Intel 80286
• MCA (Micro Channel Architecture)– 32 bits, lançada pela IBM nos anos 80 para o PS/2 (proposta fechada)
• EISA (Enhanced ISA)– 32 bit, melhoramento da ISA (proposta aberta)
• VLB (Vesa Local Bus)– 32 bits, melhorou a velocidade de tráfego entre o processador, a memória e a parte gráfica do computador – Intel 80486
• PCI (Peripherical Component Interconnect)– pode ser combinada com outras arquitecturas, adicionando-lhe vantagens ao nível da versatilidade
– Existência de um controlador• AGP (Advanced Graphics Port)
– É usada apenas para placas gráficas
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Sistemas periféricos
• Dispositivos E/S (ou I/O)• Dispositivos (internos ou externos) necessários por captar dados do exterior (dispositivos de entrada) e disponibilizar a informação (dispositivos de saída) produzida novamente para o exterior
• Podem ser classificados quanto ao sentido do fluxo de informação em três tipos:– Só de Entrada (Input)– Só de Saída (Output)– De Entrada e Saída (Input/Output)
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Periféricos de Entrada• Convertem a informação introduzida pelo utilizador em sequências próprias
de bits, capazes de serem interpretados pelo processador• Teclado
– QWERTY ou AZERTY– N.º de teclas (101 ou 105)– Disposição das teclas consoante o país
• Mouse (Rato)– Ligação através de uma porta série (standard RS232), PS/2, USB– Infravermelhos, trackball ou tela (utilizado nos portáteis)
• Caneta Óptica• Scanner (Digitalizador de Imagens)• Microfone• Joystick/Gamepad• Câmara de vídeo• Leitor de código de barras• Máquina fotográfica digital• …
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Periféricos de Saída• É através destes que os dados processados pelo processador são transmitidos para o exterior
• Placa gráfica• Monitor
– Ligação à placa gráfica• Impressora
– Ligação à porta paralela, ou USB– Tipo: Matricial, Jacto de Tinta e Laser– Caracterizam-se por: Velocidade, Qualidade, Cor
• Plotter– Traçadores gráficos ou Impressoras de Grande Formato– Desenho arquitectónico
• Data Show• Colunas de som• …
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Periféricos (monitor)
• O monitor do computador, ou ecrã, é o periférico de saída mais utilizado
• A sua função é a de permitir a visualização de informação
• A qualidade de imagem de um monitor depende essencialmente de três factores:– A medida da diagonal do ecrã expressa em polegadas, com valores típicos de 15”, 17”, 19” e 21”
– A resolução gráfica expressa em pixels (picture elements -pontos de imagem) na horizontal e na vertical, com valores típicos 800x600, 1024x768, 1152x864, 1280x1024, 1600x1200
– A frequência de varrimento (frequência com que cada ponto do ecrã é iluminado), com valores típicos entre 60 e 100Hz
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Periféricos (placa gráfica)
• A resolução gráfica não depende exclusivamente do monitor mas também do controlador gráfico do computador
• O controlador gráfico ou placa gráfica é um periférico interno responsável por gerar o sinal enviado para o monitor
• É este dispositivo que permite que o mesmo monitor possa ser utilizado com várias resoluções gráficas e frequências de varrimento
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Periféricos (impressoras)• Periférico de saída que permite registar informação em papel• Principais características:
– Resolução– Débito (número de páginas por minuto)– Cor– Custo por folha – Formatos de papel suportados
• Tipos de impressoras (diferem na tecnologia de impressão):– Matriciais ou de agulhas– Térmicas– Jacto de tinta
• Menor resolução, menor débito e maior custo por folha do que as impressoras laser, mas consideravelmente mais baratas • Indicadas para utilização por uma única pessoa ou por um grupo muito restrito de pessoas
– Laser• ideais para utilização por grupos de utilizadores
– A disponibilização de cor não representa normalmente qualquer acréscimo do preço de uma impressoras de jacto de tinta, mas representa um acréscimo substancial do preço de uma impressora laser
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Periféricos de Entrada e Saída• Tanto permitem efectuar a entrada como a saída de dados. São dispositivos capazes de canalizar informação do interior para o exterior do computador e vice-versa.
• Drives– Permitem a troca de informação entre suportes de armazenamento e o CPU
– I/O porque permitem a leitura e a gravação • Modems/Fax
– Permitem ligar um computador a outro(s) através da linha telefónica, convertendo os sinais digitais em analógicos e vice-versa
– Internos (Slot de Expansão) ou Externos (Porta Série)• Placas de Rede
– Dispositivo interno que permite ligar um computador a uma rede de computadores
• Placas de Som– Placa responsável por processar o som na forma analógica
• TouchScreen (Monitor táctil)
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Portas de Comunicação• Os computadores têm habitualmente dois tipos de dispositivos para entrada/saída de dados:– portas paralelas, designadas por LPT1, LPT2, etc...– portas série, designadas por COM1, COM2, etc...
• Os computadores possuem, em geral dois modos de transmissão de dados:– Paralela:
• os bits são transmitidos em simultâneo, (por exemplo, 8 bits de cada vez); este tipo de transmissão só é possível se o canal de transmissão for constituído por vários fios que permitam o fluxo simultâneo de determinado número de bits; transmissão indicada apenas para pequenas distâncias
• Ex: impressora– Série:
• os dados transmitidos circulam bit a bit, uns a seguir aos outros; as comunicações de dados deste tipo não necessitam de tantos fios como numa transmissão em paralelo; para um só sentido de transmissão, pode bastar apenas um fio por onde circulam sequencialmente os bits; caso se pretenda envio e recepção em simultâneo, serão necessários pelo menos dois fios, um para cada sentido da transmissão; mais lentas; permitem distâncias até 15 metros
• Ex: modem
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Comunicação computador-periférico
• Controlada por um dispositivo – controlador
• Cada controlador estabelece as comunicações para cada tipo de periférico em particular
• Os controladores são ligados ao mesmo bus que liga o CPU à memória principal
• DMA (Direct Memory Access) – capacidade do controlador aceder à memória