Capítulo 1 - Introdução
1.1 Organização Estruturada de Computadores
Esta secção apresenta a ideia central do livro: existe um grande desfasamento entre aquilo que é conveniente para as pessoas e o que é conveniente para as máquinas. Os computadores executam instruções muito simples, enquanto os humanos necessitam de formas mais abstratas e expressivas de programação. Para colmatar esta diferença, surgem níveis de abstração (ou máquinas virtuais), cada um construído sobre o anterior.
1.1.1 Linguagens, Níveis e Máquinas Virtuais
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A máquina real só executa a sua linguagem de máquina (L0).
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Criam-se linguagens mais convenientes (L1, L2, … Ln), que podem ser:
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Traduzidas para L0 (através de compiladores).
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Interpretadas por um programa escrito em L0.
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Esta hierarquia pode ser vista como uma pilha de máquinas virtuais:
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M0 → hardware real (L0).
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M1, M2, … Mn → máquinas virtuais (L1, L2, … Ln).
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Cada nível acrescenta abstrações mais próximas do utilizador, escondendo detalhes das camadas inferiores.
1.1.2 Máquinas Multinível Contemporâneas
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Os computadores modernos implementam vários níveis, geralmente até seis:
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Nível lógico digital – portas, registos e circuitos.
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Microarquitetura – registos, ALU, datapath; pode ser controlada por microprogramação ou hardware.
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ISA (Instruction Set Architecture) – instruções que os programadores veem (manual de linguagem de máquina).
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Nível do sistema operativo – acrescenta multitarefa, gestão de memória e chamadas de sistema.
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Linguagem assembly – forma simbólica de programação, traduzida por assemblers.
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Linguagens de alto nível – como C, C++, Java, Python; traduzidas (compiladores) ou interpretadas.
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A distinção entre arquitetura (o que é visível para o programador) e implementação (como é realizado em hardware) é destacada.
1.1.3 Evolução das Máquinas Multinível
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Anos 1940: dois níveis – lógica digital e ISA. O hardware executava diretamente o conjunto de instruções.
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1951 – Microprogramação (Wilkes): introdução de um nível intermédio que simplificava o hardware e aumentava a fiabilidade.
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Década de 1960: introdução dos sistemas operativos, que passaram a oferecer chamadas de sistema e novos níveis de abstração.
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Décadas de 1960-70: explosão de instruções adicionadas via microcódigo (ex.: multiplicação, vírgula flutuante, manipulação de strings).
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Década de 1980 em diante: tendência para simplificação com arquiteturas RISC, eliminando parte da microprogramação.
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O limite entre hardware e software tornou-se fluido: o que hoje é software pode ser amanhã hardware, e vice-versa.
1.2 Marcos na Arquitetura de Computadores
Esta secção apresenta a evolução histórica dos computadores digitais, desde os primeiros dispositivos mecânicos até aos modernos processadores.
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Geração zero (1642–1945) – computadores mecânicos (Pascal, Leibniz, Babbage, Zuse, Atanasoff, Stibbitz, Aiken).
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1.ª geração (1945–1955) – válvulas, como o ENIAC e IAS (Von Neumann). Surge a arquitetura de programa armazenado.
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2.ª geração (1955–1965) – transístores, máquinas como o PDP-1, PDP-8, IBM 7094 e CDC 6600. Aparece a ideia de minicomputadores.
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3.ª geração (1965–1980) – circuitos integrados; IBM System/360 introduz famílias de computadores compatíveis; DEC PDP-11 domina os minicomputadores.
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4.ª geração (1980–…) – VLSI (Very Large Scale Integration), computadores pessoais, RISC, processadores superscalar, FPGAs, paralelismo.
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5.ª geração (anos 1990–atualidade) – computadores móveis, portáteis e embebidos, foco em baixo consumo de energia e ubiquidade.
1.3 Exemplos de Computadores
Aqui são apresentados exemplos concretos para ilustrar os conceitos teóricos:
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IBM 360 – família de computadores compatíveis, marco na padronização da arquitetura.
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Intel 8080 – primeiro microprocessador de uso geral, precursor da linha x86.
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VAX (DEC) – superminicomputador de 32 bits, muito influente nos anos 1980.
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SPARC (Sun Microsystems) – arquitetura RISC, exemplo da viragem para conjuntos de instruções mais simples.
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Intel Pentium – processador superscalar, base dos PCs modernos.
O objetivo desta secção é mostrar como os conceitos de máquinas multinível se materializam em sistemas reais, cada um representando um avanço técnico e comercial na história da computação.
1.4 Famílias de Computadores de Exemplo
O autor apresenta três arquiteturas de conjunto de instruções (ISAs) que servirão como exemplos ao longo do livro: x86, ARM e AVR.
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x86: Presente na maioria dos computadores pessoais (Windows, Linux e até Macs) e em servidores. É relevante porque os leitores usam PCs diariamente e porque os servidores suportam grande parte da Internet.
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ARM: Domina o mercado móvel. É usado em smartphones, tablets e muitos outros dispositivos de baixo consumo energético.
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AVR: Microcontroladores de baixo custo, comuns em sistemas embebidos. Estão presentes em eletrodomésticos, automóveis, televisores, etc., tornando-se invisíveis para o utilizador final mas essenciais no funcionamento de inúmeros aparelhos.
A secção mostra que, apesar das diferenças de propósito e complexidade, todas estas arquiteturas partilham conceitos fundamentais de organização computacional.
1.5 Estrutura do Livro
Esta secção explica a organização dos capítulos e como o conteúdo será desenvolvido.
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O livro trata principalmente de computadores multinível e da sua organização.
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O foco está em quatro níveis principais:
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Nível da lógica digital – portas, registos e circuitos básicos.
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Nível da microarquitetura – registos, ALU, datapath, interpretadores de instruções.
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Nível da ISA (Instruction Set Architecture) – conjunto de instruções visível ao programador.
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Nível da máquina do sistema operativo – chamadas de sistema, multitarefa, gestão de recursos.
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A abordagem é bottom-up: começa-se pelos níveis inferiores, mais simples, e sobe-se para os superiores.
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Os capítulos subsequentes apresentam exemplos concretos retirados das três arquiteturas de referência (x86, ARM e AVR).
Esta estrutura facilita a compreensão, já que cada nível depende das características do anterior e porque o ensino gradual reduz a complexidade.
1.6 Esquema do Livro
O objetivo é esclarecer o que será estudado e com que perspetiva.
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O livro foca-se em conceitos fundamentais, e não em detalhes técnicos ou fórmulas matemáticas pesadas.
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Serão analisados aspetos como:
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Estrutura geral de cada nível.
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Tipos de dados e instruções disponíveis.
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Organização e endereçamento da memória.
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Métodos de implementação de cada nível.
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O autor realça que cada arquitetura resulta de compromissos e decisões arbitrárias. Não existe um “design perfeito”; cada escolha depende de contexto histórico, económico e tecnológico.
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As arquiteturas x86, ARM e AVR são usadas como exemplos comparativos, permitindo perceber alternativas e diferentes caminhos de projeto.
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O leitor é incentivado a adotar uma visão crítica, questionando porque é que certas soluções foram escolhidas e como poderiam ter sido feitas de forma diferente.
