Resumo extraído do Capítulo 1 do livro Computer Organization and Design – ARM Edition, de David Patterson e John Hennessy

Capítulo 1 - Abstrações sobre Computadores e Tecnologia

📘 1.1 – Introdução

Esta secção introduz o campo dos sistemas computacionais, destacando a sua relevância na sociedade moderna. Os autores sublinham como a computação está em constante inovação, com impactos comparáveis aos das revoluções agrícola e industrial. Referem-se ao progresso extraordinário impulsionado pela Lei de Moore, que prevê a duplicação dos recursos dos circuitos integrados a cada 18 a 24 meses.

Dá-se destaque à evolução de aplicações antes consideradas ficção científica, como:

• Computadores em automóveis;

• Telemóveis;

• O Projecto Genoma Humano;

• A Web e motores de busca;

• Veículos autónomos e realidade aumentada.

São descritas três grandes categorias de computadores:

1. Computadores pessoais (PCs) – focados na performance para um utilizador a baixo custo;

2. Servidores – gerem grandes cargas de trabalho e exigem elevada fiabilidade;

3. Computadores embebidos – são os mais comuns e estão integrados em dispositivos como automóveis, televisores, aviões, etc.

Fala-se da Era pós-PC, dominada por dispositivos móveis pessoais (PMDs), como smartphones e tablets, que usam aplicações distribuídas entre o dispositivo e a computação na nuvem (cloud computing). O conceito de Software como Serviço (SaaS) também é apresentado.

Finalmente, são introduzidos os objectivos do livro, que incluem:

• Entender a tradução de linguagens de alto nível para linguagem de máquina;

• Compreender o impacto do hardware e do software no desempenho;

• Melhorar a eficiência energética;

• Explorar o paralelismo e as técnicas modernas de projecto de hardware.

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💡 1.2 – Oito Grandes Ideias da Arquitectura de Computadores

Esta secção apresenta oito princípios fundamentais que orientam o design de computadores desde há décadas:

1. Conceber para a Lei de Moore – antecipar a evolução tecnológica ao longo do tempo.

2. Utilizar abstracções para simplificar o design – esconder complexidades com modelos mais simples.

3. Tornar o caso comum mais rápido – optimizar as operações mais frequentes.

4. Performance através de paralelismo – realizar várias operações simultaneamente.

5. Performance através de pipeline – sobrepor etapas de execução de instruções (semelhante a uma linha de montagem).

6. Performance através de previsão (prediction) – adivinhar o caminho provável de execução para ganhar tempo.

7. Hierarquia de memórias – combinar diferentes tipos de memória para equilibrar velocidade, custo e capacidade.

8. Confiabilidade através de redundância – usar componentes duplicados para lidar com falhas.

Cada ideia é representada por um ícone e será usada ao longo do livro para ilustrar como essas estratégias estão presentes nas arquitecturas modernas.

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🧩 1.3 – Abaixo do Teu Programa 

Esta secção explica como um programa escrito numa linguagem de alto nível é transformado até chegar ao nível do hardware:

• As aplicações são compostas por milhões de linhas de código e usam bibliotecas sofisticadas.

• O hardware só compreende instruções muito simples em linguagem binária (0s e 1s).

• Várias camadas de software são necessárias para traduzir essas aplicações para uma forma compreensível pelo hardware.

Dois componentes essenciais do software de sistema são:

1. Sistema operativo (OS) – gere os recursos, entrada/saída e memória, permitindo que múltiplos programas coexistam.

2. Compilador – traduz programas de linguagens como C ou Java para linguagem de máquina, passando por uma fase intermédia de linguagem de montagem (assembly).

O processo é explicado assim:

• O programador escreve código em C (alto nível);

• O compilador traduz para assembly;

• O assembler converte o código assembly para linguagem binária (linguagem de máquina).

As vantagens das linguagens de alto nível são:

• Maior expressividade e produtividade;

• Portabilidade entre computadores diferentes;

• Redução do número de linhas necessárias para implementar uma ideia.

O conceito de abstracção é reforçado como uma das ideias-chave que tornam possível este empilhamento de camadas de software sobre hardware.

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🧠 1.4 – Por Detrás da Máquina 

Esta secção introduz a estrutura interna de um computador, destacando os seus cinco componentes clássicos:

1. Entrada (Input) – dispositivos como teclados, microfones ou sensores;

2. Saída (Output) – ecrãs, colunas, impressoras;

3. Memória – armazena dados e programas em execução;

4. Caminho de dados (Datapath) – executa operações aritméticas e lógicas;

5. Unidade de controlo (Control) – coordena as operações do datapath, memória e I/O.

As secções seguintes exploram estes componentes em mais detalhe. A memória e o processador formam o núcleo da execução, enquanto os dispositivos de entrada e saída asseguram a comunicação com o exterior.

🖥️ Dispositivos de entrada/saída:

• Os ecrãs modernos usam LCDs com matriz activa, compostos por milhões de píxeis controlados por transístores.

• A imagem é mantida num buffer de imagem (frame buffer), que é lido ciclicamente.

• Tablets e smartphones utilizam ecrãs tácteis capacitivos, que detectam toques com base em alterações de campo eléctrico.

🧩 Organização física:

• Mostra-se o exemplo do iPad 2 com os seus componentes: ecrã, câmara, sensores (giroscópio, acelerómetro), chip A5 (com dois núcleos ARM), memória, e interfaces de comunicação (Wi-Fi, Bluetooth).

💾 Memória:

• A memória principal é baseada em DRAM, que é volátil (perde dados sem energia).

• A memória cache, feita com SRAM, é mais rápida mas mais cara, usada como buffer entre o processador e a DRAM.

• A memória flash, não volátil, é usada em dispositivos móveis como memória secundária. Tem limitações no número de escritas possíveis.

🌐 Redes:

• Os computadores estão ligados por redes locais (LANs) ou redes alargadas (WANs).

• A comunicação em rede permite:

  • Partilha de recursos;

  • Acesso remoto;

  • Comunicação eficiente.

• O Ethernet é um exemplo de rede local, enquanto redes WAN formam a espinha dorsal da Internet.

• O Wi-Fi (IEEE 802.11) tornou-se central na era pós-PC, sendo económico e de elevada largura de banda.

📏 Abstracção: Arquitetura e Implementação

• Introduz-se a arquitectura do conjunto de instruções (ISA) como a interface entre o hardware e o software de baixo nível.

• O ABI (Application Binary Interface) define a compatibilidade binária de aplicações.

• Diferencia-se arquitectura (funções oferecidas) de implementação (como são concretizadas essas funções).

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🔧 1.5 – Tecnologias para Construir Processadores e Memórias

Esta secção aborda as tecnologias físicas que permitiram a evolução dos computadores, com foco especial nos circuitos integrados.

⚙️ Evolução tecnológica:

• Inicia-se com as válvulas (1950s), passando pelos transístores, depois os circuitos integrados (IC) e mais tarde os VLSI (Very Large Scale Integration).

• A Lei de Moore prevê a duplicação do número de transístores num chip a cada 18-24 meses.

🏭 Processo de fabrico:

• O fabrico começa com um lingote de silício, cortado em wafers.

• Os wafers passam por 20 a 40 etapas de processamento, criando camadas de transístores, condutores e isoladores.

• Cada wafer é dividido em dies (chips), que são testados. Os bons são embalados e vendidos.

• O rendimento (yield) depende do número de dies bons por wafer, que diminui com o aumento da área do die.

🧪 Fórmulas de custo:

Apresenta-se uma fórmula simplificada para o custo por die:

Custo por die = Custo por wafer / (dies por wafer × rendimento)

E outra para estimar os dies por wafer e o rendimento com base em defeitos e área.

📏 Processo de miniaturização:

• A escala de fabrico (ex.: 32 nm) define o tamanho mínimo de elementos no chip.

• Chips mais pequenos e de menor consumo são mais baratos e permitem maior densidade por wafer.

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🧮 1.6 – Desempenho (Performance)

Esta secção trata de como avaliar o desempenho de computadores, tanto do ponto de vista do utilizador como do engenheiro.

📊 Definir desempenho:

• Para o utilizador: tempo de resposta (tempo entre início e fim de uma tarefa).

• Para centros de dados: vazão (throughput) – número de tarefas concluídas por unidade de tempo.

• Um sistema com maior vazão pode não ter menor tempo de resposta para um utilizador individual.

✈️ Exemplo ilustrativo:

• Compara-se o desempenho com o transporte aéreo: o Concorde é o mais rápido para uma pessoa, mas o Boeing 747 tem maior vazão por transportar mais passageiros.

📐 Fórmulas e métricas:

• Define-se "A é n vezes mais rápido que B" como:

PerformanceA / PerformanceB = TempoB / TempoA

• São discutidas várias formas de medir desempenho, como instruções por segundo (IPS), ciclos por instrução (CPI), frequência do relógio (clock rate), etc.

📉 Vieses e armadilhas:

• Medir mal o desempenho pode levar a conclusões erradas.

• Benchmarks específicos, como os apresentados mais adiante (ex.: SPEC), tentam capturar métricas reais de desempenho com aplicações típicas.

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🔋 1.7 – O Limite da Energia

Esta secção aborda o desafio crítico do consumo de energia e potência nos microprocessadores modernos.

• Durante décadas, o clock rate e a potência aumentaram em paralelo, até se atingir um limite físico de dissipação térmica (limite de arrefecimento).

• Este limite é conhecido como Power Wall, e representa uma barreira à continuação do aumento do desempenho apenas através da frequência.

⚙️ Energia e potência em chips CMOS:

• A tecnologia dominante de fabrico é CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar).

• O consumo principal de energia é o consumo dinâmico, que ocorre quando os transístores mudam de estado (0↔1).

• A energia consumida por transição é proporcional a:

  $$\text{Energia} \propto \frac{1}{2} C \cdot V^2$$

  onde $C$ é a carga capacitiva e $V$ é a tensão.

• A potência dinâmica depende também da frequência de comutação:

  $$\text{Potência} \propto \frac{1}{2} C \cdot V^2 \cdot f$$

• Para reduzir potência, foi comum diminuir a tensão (~15% por geração). Isso permitiu aumentos no clock sem proporcional aumento de potência.

⚠️ Problemas modernos:

• A descida de tensão tem limites: transístores tornam-se "fugas" (leaky), desperdiçando energia mesmo quando desligados.

• Cerca de 40% da energia consumida em servidores deve-se a fugas estáticas.

• Técnicas como desligar partes do chip e melhorar o arrefecimento são usadas, mas limitadas pelo custo, especialmente em dispositivos móveis.

🔁 Conclusão: o design de microprocessadores teve de mudar drasticamente, pois o caminho tradicional baseado em mais velocidade e transístores tornou-se insustentável.

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🔄 1.8 – A mudança radical: A passagem dos uniprocessadores para os multiprocessadores

Esta secção descreve uma mudança radical na indústria: o abandono dos processadores únicos (uniprocessors) em favor dos multicore.

• Até cerca de 2006, o desempenho melhorava com aumento da frequência e melhorias internas.

• Com a Power Wall, os fabricantes passaram a incluir vários núcleos (cores) num único chip.

  • Exemplo: um “quad-core” tem quatro processadores num só chip.

🧠 Consequências para programadores:

• Antigamente, bastava compilar o código de novo para obter mais desempenho.

• Agora, é necessário reescrever os programas para que tirem partido do paralelismo.

• O paralelismo explícito exige que o programador:

  • Divida as tarefas de forma equilibrada;

  • Minimize o tempo de sincronização e comunicação;

  • Garanta que todas as partes do programa terminam ao mesmo tempo.

🎻 Analogia:

O texto compara o software antigo a música para solista. O software para múltiplos núcleos é como escrever para uma orquestra sinfónica – mais poderoso, mas muito mais difícil.

🧩 Os capítulos seguintes do livro incluem secções sobre as implicações do paralelismo em cada domínio técnico.

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🧪 1.9 – Coisas reais: Avaliação comparativa do Intel Core i7

Esta secção introduz benchmarks reais usados para medir o desempenho de computadores, com foco no Intel Core i7.

📊 Avaliar desempenho:

• O ideal seria correr os programas reais de cada utilizador, mas isso nem sempre é prático.

• Por isso, usam-se benchmarks, que são programas-padrão representativos de workloads típicos.

• O mais importante é o SPEC (System Performance Evaluation Cooperative).

🧮 SPEC CPU2006:

• Divide-se em dois conjuntos:

  • CINT2006 – 12 benchmarks para processamento inteiro (ex.: compiladores, xadrez, simulação de ADN).

  • CFP2006 – 17 benchmarks para vírgula flutuante (ex.: dinâmica molecular, álgebra linear).

• Os factores de desempenho incluem:

  • Contagem de instruções;

  • CPI (ciclos por instrução);

  • Tempo de ciclo de clock.

• É usado o SPECratio:

  $$\text{SPECratio} = \frac{\text{Tempo de referência}}{\text{Tempo de execução}}$$

  Quanto maior o valor, melhor o desempenho.

• Para sumarizar os resultados de múltiplos benchmarks, calcula-se a média geométrica dos SPECratios.

⚡ SPECpower:

• Benchmark voltado para medir eficiência energética (operações por segundo por watt).

• Mede o consumo em diferentes níveis de carga (0% a 100%).

📌 Conclusão: o desempenho real de um processador não pode ser avaliado apenas pela frequência de relógio. Benchmarks como os SPEC ajudam a avaliar a performance com base em situações práticas.

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⚠️ 1.10 – Falácias e Armadilhas 

Esta secção alerta para conceitos errados (falácias) e erros frequentes (armadilhas) na análise e concepção de sistemas computacionais.

Exemplos abordados:

• Armadilha: Pensar que melhorar um único componente de um sistema resultará numa melhoria proporcional no desempenho global.

  • Isto é desmentido pela Lei de Amdahl, que mostra que o ganho total depende da fração do tempo de execução que é efectivamente afectada pela melhoria.

  • Exemplo: se 80% do tempo é gasto em multiplicações, mesmo acelerar essas operações infinitamente não tornará o programa 5 vezes mais rápido.

• Falácia: Supor que computadores com baixa utilização consomem pouca energia.

  • Mesmo com pouca carga, servidores consomem uma grande fração da potência máxima.

• Falácia: Acreditar que optimizar para desempenho e para eficiência energética são objectivos incompatíveis.

  • Em muitos casos, optimizações que reduzem o tempo de execução também reduzem o consumo energético global.

• Armadilha: Usar apenas parte da equação do desempenho para avaliar um sistema.

  • A equação completa considera contagem de instruções, ciclos por instrução (CPI) e frequência do relógio.

  • Usar apenas dois desses factores pode levar a conclusões erradas.

• Exemplo prático: O uso de MIPS como métrica de desempenho pode ser enganador:

  • Não permite comparar arquitecturas diferentes;

  • Varia com o tipo de programa;

  • Pode não refletir o tempo de execução real.

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📌 1.11 – Considerações Finais 

Esta secção fecha o capítulo com uma síntese das ideias abordadas:

• Tempo de execução real é a única medida fiável de desempenho.

• A abstracção é a base da concepção de sistemas computacionais modernos — em particular, a interface entre hardware e software de baixo nível (ISA).

• Moore previa a rápida evolução dos circuitos integrados; no entanto, o desempenho melhorou também com novas ideias arquitectónicas.

• Eficiência energética tornou-se mais importante do que a densidade de transístores, conduzindo à adopção dos processadores multicore.

• O design de computadores modernos equilibra múltiplos factores:

  • Desempenho;

  • Energia;

  • Fiabilidade;

  • Custo total de propriedade;

  • Escalabilidade.

💡 Plano para o livro:
Os próximos capítulos abordam os cinco componentes clássicos:

• Datapath e controlo – Cap. 3, 4 e 6;

• Memória – Cap. 5;

• Entrada/Saída – Cap. 5 e 6.

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🕰️ 1.12 – Perspectiva Histórica e Leituras Complementares 

Esta secção remete para um suplemento online que acompanha o livro.

• Fornece o contexto histórico das ideias apresentadas no capítulo.

• Procura ilustrar o lado humano da evolução tecnológica, mostrando como certos conceitos se desenvolveram ao longo do tempo.

• Ajuda a compreender melhor o presente e a antecipar o futuro da computação.

• Inclui sugestões de leitura complementar, também disponíveis no site do livro.

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Resumo extraído do Capítulo 2 do livro Structured Computer Organization de Andrew S. Tanenbaum (5.ª edição)

Estrutura dos sistemas computacionais

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2.1 PROCESSADORES

Esta secção aborda a organização e evolução dos processadores (CPUs).

• Estrutura Básica da CPU: A CPU é composta pela UC (unidade de controlo), ALU (Unidade Aritmética e Lógica) e registos. A unidade de controlo busca instruções da memória principal, interpreta-as e executa-as. Os registos armazenam dados temporários e instruções em execução, sendo o Program Counter (PC) e o Instruction Register (IR) os mais importantes.

• Execução de Instruções: A execução dá-se em etapas: buscar a instrução, actualizar o PC, decodificar a instrução, buscar operandos, executar a operação e escrever o resultado.

• Caminho de Dados (Datapath): Mostra como os dados fluem dentro da CPU, entre registos e a ALU. A performance do processador depende da eficiência deste caminho.

• Pipelining: Técnica para acelerar a execução de instruções dividindo-as em várias fases (como uma linha de montagem). Várias instruções podem ser processadas em simultâneo, uma em cada estágio.

• Paralelismo a Nível de Instrução: Explora-se o uso de pipelines duplos (como no Pentium) ou arquitecturas superscalares com várias unidades funcionais que permitem executar múltiplas instruções por ciclo de relógio.

• Processamento Paralelo (Array e Vector Processors): Processadores de array como o ILLIAC IV executam a mesma instrução sobre múltiplos dados em paralelo (SIMD). Os vector processors, como o Cray-1, usam registos vectoriais e pipelines para realizar operações vectoriais com alta eficiência.

• Multiprocessadores e Multicomputadores: Multiprocessadores partilham memória comum e são fortemente acoplados, facilitando a programação. Multicomputadores têm memória separada por CPU e comunicam por troca de mensagens, sendo mais escaláveis. Sistemas híbridos tentam combinar o melhor de ambos.

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2.2 MEMÓRIA PRINCIPAL

Esta secção foca-se na organização, tipos e funcionamento da memória principal de um sistema informático.

• Bits e Codificação Binária: A unidade mínima é o bit. O sistema binário é o mais fiável devido à facilidade de distinguir entre dois estados (0 e 1). Alguns sistemas usam codificações como BCD para representar números decimais.

• Endereços de Memória: Cada célula de memória tem um endereço único. A quantidade de bits por endereço determina o número máximo de células endereçáveis. A célula é a unidade mais pequena de endereçamento e normalmente contém um byte (8 bits).

• Ordenação de Bytes (Byte Ordering): Define como os bytes que compõem uma palavra são armazenados na memória — por exemplo, "little-endian" versus "big-endian".

• Correção de Erros: Utilizam-se códigos como o de Hamming para detectar e corrigir erros na memória. A verificação de paridade também pode ser usada para detecção simples.

• Memória Cache: Pequena memória rápida usada para armazenar dados frequentemente usados. Baseia-se no princípio da localidade (temporal e espacial). A performance depende da taxa de acertos (hit ratio) e é influenciada pelo tamanho da cache, tamanho da linha, organização, separação de dados e instruções (cache unificada vs Harvard) e número de níveis de cache.

• Empacotamento e Tipos de Memória: As memórias modernas são vendidas como módulos (SIMMs ou DIMMs), cada um contendo vários chips de memória. DIMMs transferem 64 bits por ciclo e são comuns em computadores de secretária, enquanto os SO-DIMMs são usados em portáteis. A correção de erros é opcional e pouco comum em computadores domésticos.

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2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA

Mesmo com memórias principais cada vez maiores, elas continuam a ser insuficientes para armazenar todos os dados desejados, especialmente com o aumento da informação digital (como livros digitalizados, vídeos, etc.). A solução clássica é utilizar uma hierarquia de memória, onde memórias mais lentas, maiores e baratas complementam as mais rápidas e pequenas.

2.3.1 Hierarquias de Memória

• Organiza-se a memória em níveis: registos, cache, memória principal, discos magnéticos, fitas magnéticas e discos ópticos.

• À medida que se desce na hierarquia:

  • O tempo de acesso aumenta.

  • A capacidade de armazenamento aumenta.

  • O custo por bit diminui.

2.3.2 Discos Magnéticos

• Compostos por pratos com revestimento magnético.

• A informação é lida/escrita por cabeças móveis que flutuam sobre os pratos.

• Os pratos giram a velocidade constante; os dados são organizados em pistas e sectores.

• Utilizam estratégias como zonas concêntricas com diferentes números de sectores para aumentar a capacidade (zone bit recording).

• Discos Winchester são selados para evitar poeira.

2.3.3 Desempenho dos Discos

• Fatores como o tempo de procura (seek time), latência rotacional e taxa de transferência afetam o desempenho.

• Há uma grande diferença entre a taxa de pico (burst) e a taxa sustentada de transferência de dados.

2.3.4 Interfaces e Controladores

• Interfaces como IDE, EIDE e SCSI evoluíram para suportar velocidades maiores e múltiplos dispositivos.

• O endereçamento evoluiu de C/H/S para LBA (Logical Block Addressing) para ultrapassar limites antigos (como os 504 MB dos primeiros BIOS).

2.3.6 RAID

• RAID (Redundant Array of Independent Disks) melhora desempenho e fiabilidade.

• Combina múltiplos discos como se fossem um só, podendo usar técnicas como espelhamento (RAID 1) ou distribuição de paridade (RAID 5).

2.3.8 CD-Recordables (CD-R)

• CDs graváveis foram introduzidos como meio económico para backups.

• Utilizam discos com trilhas guia e material sensível à gravação com laser.

2.3.9 CD-Rewritables (CD-RW)

• Usam uma liga metálica especial com dois estados estáveis (amorfo e cristalino).

• Um laser de diferentes potências escreve, apaga e lê os dados.

2.3.10 DVD

• Representa uma evolução do CD-ROM, com maior capacidade.

• É mais adequado para aplicações como filmes e grandes bases de dados.

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2.4 ENTRADA/SAÍDA (INPUT/OUTPUT)

A secção trata da forma como os dispositivos de entrada e saída (E/S) se ligam ao processador e à memória, com foco especial nos barramentos (buses).

2.4.1 Barramentos

• Os barramentos são conjuntos de fios paralelos que transportam sinais de controlo, dados e endereços entre os vários componentes de um computador.

• A estrutura física típica inclui uma motherboard com slots para módulos de memória e placas de E/S ligadas ao barramento (ex: PCI).

• Dispositivos de E/S dividem-se entre o controlador (controlador físico/electrónico) e o dispositivo propriamente dito (ex: disco, monitor).

• O controlador gere o dispositivo e comunica com a CPU através do barramento. Pode usar DMA (Acesso Directo à Memória) para ler/escrever dados sem intervenção da CPU.

• Quando a transferência termina, o controlador gera uma interrupção, que suspende o programa em execução e invoca um tratador de interrupções (interrupt handler).

Arbitragem do Barramento

• Um árbitro de barramento decide qual componente usa o barramento quando há conflito (por exemplo, CPU vs dispositivo de E/S).

• Os dispositivos de E/S têm normalmente prioridade, pois não podem parar a sua operação física sem risco de perda de dados (ex: discos rígidos).

Problemas de Velocidade e Compatibilidade

• À medida que os componentes ficaram mais rápidos, os barramentos tornaram-se um gargalo. Surgiram soluções com barramentos múltiplos (por exemplo, PCI e ISA).

• A evolução para o barramento PCI, mais rápido, permitiu maior largura de banda para dispositivos como placas gráficas, som, rede e discos SCSI.

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2.5 SUMÁRIO

Esta secção faz uma recapitulação dos principais conceitos abordados ao longo do capítulo:

• Componentes dos Sistemas Computacionais: São compostos por três tipos principais de componentes:

  • Processadores: Responsáveis por buscar, decifrar e executar instruções.

  • Memórias: Armazenam instruções e dados.

  • Dispositivos de Entrada/Saída (E/S): Permitem a comunicação com o exterior (ex: teclado, ecrã, impressora, etc.).

• Ciclo de Execução de Instruções: Consiste em buscar uma instrução da memória, decodificá-la e executá-la. Este processo pode ser descrito como um algoritmo e, por vezes, é implementado por interpretadores.

• Melhoria de Desempenho: Muitos computadores modernos usam pipelines ou arquitecturas superscalar, com várias unidades funcionais a operar em paralelo.

• Computação Paralela:

  • Processadores em Array: Executam a mesma operação em múltiplos dados ao mesmo tempo (SIMD).

  • Multiprocessadores: Partilham uma memória comum (memória partilhada).

  • Multicomputadores: Cada processador tem a sua própria memória, e a comunicação entre eles é feita por troca de mensagens.

• Hierarquia de Memória:

  • Memória Principal: Rápida e usada para armazenar o programa em execução. Pode usar cache para melhorar a performance.

  • Memória Secundária: Mais lenta, usada para armazenamento a longo prazo. Inclui discos magnéticos, discos ópticos e RAID.

• Dispositivos de Entrada/Saída: Transferem dados entre o mundo exterior e o computador. Estão ligados por meio de um ou mais barramentos. A maioria dos dispositivos usa o código ASCII, mas o UNICODE está a tornar-se o padrão global.

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Resumo extraído do Capítulo 1 do livro Structured Computer Organization de Andrew S. Tanenbaum (5.ª edição)

1. Introdução

Este capítulo começa por definir o que é um computador digital: uma máquina capaz de resolver problemas executando instruções fornecidas por pessoas. Estas instruções formam programas, que têm de ser convertidos numa linguagem de máquina simples para serem executados. Como esta linguagem é difícil de usar, os sistemas são estruturados em camadas ou níveis de abstração para facilitar o seu desenvolvimento e utilização. Este conceito é a base da “organização estruturada dos computadores”.

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1.1 Organização Estruturada de Computadores

1.1.1 – Linguagens, Níveis e Máquinas Virtuais

A diferença entre o que é conveniente para as pessoas e para os computadores exige a criação de linguagens intermédias. Cada linguagem (L0, L1, L2, ..., Ln) representa um nível (ou máquina virtual) de abstração. A execução de programas escritos nestas linguagens pode ser feita por tradução (converter para uma linguagem de nível inferior) ou por interpretação (executar directamente, instrução a instrução).

Isto dá origem à ideia de uma máquina multinível, onde apenas o nível mais baixo (L0) é executado directamente pelo hardware. Os níveis superiores são implementados por interpretadores ou tradutores baseados nos níveis inferiores. Esta estrutura facilita o desenvolvimento de sistemas complexos, escondendo detalhes de baixo nível e aproximando a linguagem da máquina à forma como os humanos pensam.

1.1.2 – Máquinas Multinível Contemporâneas

A maioria dos computadores modernos é estruturada em múltiplos níveis (até seis), desde o nível de hardware até às linguagens orientadas ao utilizador. Estes níveis são:

1. Nível 0 – Lógica Digital: baseia-se em portas lógicas digitais (AND, OR, etc.), implementadas com transístores.

2. Nível 1 – Microarquitectura: combina registos e uma ALU (Unidade Aritmética e Lógica). Pode ser controlado por hardware ou por microprogramas.

3. Nível 2 – Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA): é a interface formal entre hardware e software. Define o conjunto de instruções que a máquina pode executar.

4. Nível 3 – Máquina do Sistema Operativo: adiciona funcionalidades como multitarefa e manipulação de memória, interpretadas pelo sistema operativo.

5. Nível 4 – Linguagem Assembly: forma simbólica da linguagem da máquina, traduzida por um assembler.

6. Nível 5 – Linguagens de Alto Nível: como C, Java, etc., traduzidas por compiladores ou interpretadas.

Cada nível é construído com base no anterior, e os programadores de aplicações normalmente trabalham nos níveis mais altos, abstraindo-se dos níveis inferiores.

1.1.3 – Evolução das Máquinas Multinível

Historicamente, os computadores começaram com apenas dois níveis (lógica digital e ISA). A introdução da microprogramação por Maurice Wilkes simplificou o hardware ao mover parte do controlo para o software.

O sistema operativo surgiu para automatizar a operação dos computadores, criando um novo nível virtual. Ao longo do tempo, mais funcionalidades foram adicionadas ao microcódigo e aos sistemas operativos, aumentando a complexidade dos níveis intermédios.

Na década de 1980, houve uma tendência para eliminar a microprogramação em favor de execução direta (hardware controlado), como nas arquiteturas RISC. A linha entre hardware e software tornou-se cada vez mais fluida: funcionalidades podem ser implementadas em qualquer nível, dependendo do custo, desempenho e fiabilidade.

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Secção 1.2 – Marcos na Arquitetura de Computadores

1.2.1 – Geração Zero: Computadores Mecânicos (1642–1945)

Iniciada com Pascal e Leibniz, esta geração é marcada por máquinas de cálculo mecânicas. Charles Babbage idealizou a Analytical Engine, considerada a antecessora dos computadores modernos. Ada Lovelace foi a primeira programadora da história.

1.2.2 – Primeira Geração: Válvulas de Vácuo (1945–1955)

Com o estímulo da Segunda Guerra Mundial, surgiram os primeiros computadores electrónicos como o ENIAC, EDSAC e Whirlwind I. John von Neumann propôs o modelo de computador com armazenamento em memória, que ainda hoje é usado (arquitetura de Von Neumann).

1.2.3 – Segunda Geração: Transístores (1955–1965)

A invenção do transístor permitiu construir computadores mais fiáveis e eficientes. Destacam-se o IBM 7094 (científico), o CDC 6600 (supercomputador com unidades funcionais paralelas), e o PDP-8 (minicomputador popular da DEC).

1.2.4 – Terceira Geração: Circuitos Integrados (1965–1980)

Com os circuitos integrados, surgem famílias de computadores como o IBM System/360, com várias versões compatíveis entre si. Introduziu-se o conceito de emulação e multiprogramação. No mundo dos minicomputadores, destaca-se o PDP-11 da DEC.

1.2.5 – Quarta Geração: VLSI e Computadores Pessoais (1980–?)

A integração em larga escala (VLSI) possibilitou a criação de computadores pessoais. O IBM PC, lançado em 1981, dominou o mercado, dando origem à indústria dos clones de PC. A Apple destacou-se com o Macintosh e o conceito de interface gráfica (GUI). Nesta geração destacam-se ainda os processadores RISC, como o MIPS e SPARC, e o Alpha da DEC (64 bits).

1.2.6 – Quinta Geração: Computadores Invisíveis

A promessa japonesa de inteligência artificial não se concretizou como esperado. No entanto, deu-se o aparecimento dos computadores invisíveis: embebidos em dispositivos, cartões e electrodomésticos. Esta visão, chamada computação ubíqua ou computação pervasiva, representa uma mudança de paradigma mais do que uma nova arquitetura.

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1.3 – O Zoo dos Computadores

Esta secção explora a diversidade atual de computadores, motivada por forças tecnológicas e económicas.

1.3.1 – Forças Tecnológicas e Económicas

A evolução do hardware tem sido guiada pela Lei de Moore, que prevê a duplicação de transístores por chip de circuito integrado a cada 18 meses. Isso permite mais memória e maior desempenho. A crescente capacidade dos chips impulsiona novas aplicações e mercados, alimentando um ciclo virtuoso de inovação tecnológica.

1.3.2 – O Espectro dos Computadores

Os computadores variam desde os mais baratos (como cartões com chips descartáveis) até supercomputadores. O autor apresenta uma escala com tipos de computadores, preços aproximados e exemplos de aplicação, demonstrando a diversidade de equipamentos existentes.

1.3.3 – Computadores Descártaveis

Exemplos incluem chips RFID, usados em etiquetas inteligentes e até em seres vivos. Estes chips, sem bateria, são ativados por sinais externos e podem ser usados para identificação e seguimento de objetos, pessoas e animais, levantando implicações éticas e sociais.

1.3.4 – Microcontroladores

Presentes em electrodomésticos, brinquedos, carros e equipamentos médicos. São computadores completos (CPU, memória, E/S) integrados num único chip, programados para tarefas específicas e produzidos em massa a baixo custo.

1.3.5 – Computadores de Jogo

Ex: consolas como a Xbox e PlayStation. São sistemas especializados em multimédia, com CPUs gráficas poderosas e arquitecturas optimizadas para jogos.

1.3.6 – Computadores Pessoais

Incluem computadores de secretária, portáteis e PDAs. Têm múltiplos periféricos e sistemas operativos complexos. Os portáteis são versões compactas dos de secretária.

1.3.7 – Servidores

Computadores semelhantes a PCs mas com mais capacidade de memória, armazenamento e rede. São utilizados em redes empresariais e na Internet, executando sistemas operativos como Linux ou Windows Server.

1.3.8 – Conjuntos de Estações de Trabalho (COWs)

Clusters de computadores interligados que operam como um sistema único para tarefas paralelas. São usados como supercomputadores baratos ou "server farms" em sites de grande tráfego.

1.3.9 – Mainframes

Máquinas grandes e antigas, usadas ainda hoje por empresas com investimentos pesados em software antigo. Têm grande capacidade de E/S e armazenamento e foram ressuscitadas com a Internet para lidar com grandes volumes de transacções.

1.3.10 – Supercomputadores

Antes mais poderosos que os mainframes, hoje têm menos relevância, sendo substituídos por clusters mais baratos e flexíveis.

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1.4 – Famílias de Computadores de Exemplo

O livro foca-se em três tipos de computadores:

1. Computadores Pessoais – representados pelo Pentium 4

2. Servidores – representados pelo UltraSPARC III

3. Computadores Embebidos – representados pelo 8051

1.4.1 – Introdução ao Pentium 4

A família de CPUs da Intel evoluiu do 4004 (1970) até ao Pentium 4, com grande compatibilidade com versões anteriores. O Pentium Pro introduziu cache de dois níveis e execução paralela de até 5 instruções. O Pentium 4 trouxe a tecnologia de hyperthreading e novas instruções multimédia (SSE).

1.4.2 – Introdução ao UltraSPARC III

A Sun Microsystems criou a linha SPARC, baseada numa arquitectura RISC. A CPU UltraSPARC III, com 64 bits e total compatibilidade retroactiva, é um exemplo de processador poderoso para servidores. O SPARC distingue-se por ser uma arquitetura aberta com vários fabricantes licenciados.

1.4.3 – Introdução ao 8051

O 8051 é um microcontrolador de 8 bits com CPU, memória e E/S num só chip, lançado pela Intel em 1980. Muito usado em sistemas embebidos devido ao seu baixo custo, larga disponibilidade, vasta documentação e suporte por múltiplos fabricantes. Há variantes como o 8751 (regravável) e o 8052 (mais memória). A família MCS-51 é ainda amplamente usada em engenharia e investigação.

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1.5 – Unidades Métricas

Esta secção esclarece o uso das unidades métricas no contexto da ciência computacional, e especialmente nas áreas de armazenamento e transmissão de dados.

Unidades Padrão

• A informática adopta o sistema métrico internacional (SI), evitando unidades tradicionais anglo-saxónicas.

• As principais prefixos métricos utilizados são:

  • mili (10⁻³), micro (10⁻⁶), nano (10⁻⁹), pico (10⁻¹²), kilo (10³), mega (10⁶), giga (10⁹), tera (10¹²), entre outros.

Ambiguidade entre base 10 e base 2

• No contexto da memória, a indústria usa:

  • 1 KB = 2¹⁰ = 1024 bytes,

  • 1 MB = 2²⁰ = 1.048.576 bytes,

  • 1 GB = 2³⁰ = 1.073.741.824 bytes,

  • 1 TB = 2⁴⁰ = 1.099.511.627.776 bytes.

• Contudo, em comunicações, os prefixos referem-se a potências de 10:

  • 1 kbps = 10³ bits/segundo,

  • 1 Mbps = 10⁶ bits/segundo, etc.

Esta dualidade pode causar confusão, por isso o livro usa:

• KB, MB, GB, TB → para potências de 2 (memória),

• kbps, Mbps, Gbps, Tbps → para potências de 10 (transmissão de dados).

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1.6 – Estrutura do Livro

Esta secção apresenta uma visão geral da estrutura e abordagem do livro.

Objectivo principal

O livro trata da organização estruturada de computadores multinível, examinando quatro níveis em detalhe:

1. Lógica digital – circuitos e portas lógicas.

2. Microarquitectura – como o hardware interpreta instruções da ISA.

3. ISA (Instruction Set Architecture) – conjunto de instruções da máquina.

4. Máquina do sistema operativo – funcionalidades oferecidas pelo sistema operativo.

A obra foca-se em conceitos fundamentais e exemplos práticos, evitando pormenores excessivamente matemáticos ou técnicos.

Exemplos usados

Serão utilizados três computadores de referência ao longo do livro:

• Pentium 4 (PCs),

• UltraSPARC III (servidores),

• 8051 (sistemas embebidos).

Estes foram escolhidos por:

• Serem largamente utilizados.

• Apresentarem arquitecturas diferentes.

• Permitirem comparação crítica entre soluções de design.

O autor destaca que não se trata de um manual de programação de nenhuma dessas máquinas, mas sim de uma exploração dos princípios subjacentes a todas elas.

Estrutura dos capítulos seguintes

• Cap. 2: Introdução aos componentes principais (processadores, memórias, E/S).

• Cap. 3: Nível de lógica digital – portas, circuitos e álgebra booleana.

• Cap. 4: Microarquitectura – implementação da ISA.

• Cap. 5: ISA – detalhes das instruções e dados.

• Cap. 6: Nível do sistema operativo – controlo de processos, memória, etc.

• Cap. 7: Linguagem assembly e o processo de ligação (linking).

• Cap. 8: Computadores paralelos – multiprocessadores, COWs e SoCs.

• Cap. 9: Leituras sugeridas e bibliografia anotada.

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Resumo extraído do capítulo 2 livro "Computer Organization and Design RISC-V 2nd edition, by Hennessy and Patterson

Capítulo 2: Instruções: A linguagem do Computador

2.1 Introdução

Apresenta o conceito de linguagem máquina, onde cada instrução é uma "palavra" e o conjunto de todas constitui o conjunto de instruções (ISA). É introduzido o RISC-V como ISA base do livro, comparando-o com o MIPS e o x86, mostrando a importância de um design simples, eficaz e de fácil implementação para hardware e compiladores.

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2.2 Operações do Hardware do Computador

Explica os tipos de instruções básicas: aritméticas, lógicas, de transferência de dados e de controlo de fluxo: add, sub, lw, sw, e beq.

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2.3 Operandos do Hardware do Computador

Discute os registos (e.g., x0 a x31 no RISC-V), usados para armazenar operandos, e a razão para a sua limitação (tipicamente 32 registos): menor complexidade e maior velocidade.

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2.4 Números com e sem sinal

Aborda a representação de números inteiros com sinal (signed) usando complemento para dois, e sem sinal (unsigned). Explica as diferenças nas instruções e como o hardware as interpreta.

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2.5 Representar Instruções no Computador

Mostra como as instruções RISC-V são codificadas em binário, detalhando os campos opcode, rd, rs1, rs2, funct3 e funct7. Apresenta os formatos R, I, S, B, U e J.

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2.6 Operações Lógicas

Explora as instruções lógicas como and, or, xor, sll, srl, sra, etc. Mostra como são úteis em manipulação de bits, máscaras e operações de baixo nível.

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2.7 Instruções para Tomada de Decisão

Introduz as instruções condicionais como beq, bne, blt, bge, etc. Usa exemplos de condições e ciclos (if, while) para mostrar a sua tradução para assembly.

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2.8 Suporte a Procedimentos no Hardware

Explica a chamada e retorno de procedimentos (jal, jalr, ret), a passagem de parâmetros (x10, x11, ...), o uso da stack (sp) e a preservação de registos (ra, s0-s11), incluindo o prólogo e epílogo das funções.

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2.9 Comunicação com Pessoas

Descreve input/output em baixo nível, abordando syscalls, o uso de ecall no RISC-V, e o papel do sistema operativo para fornecer serviços como impressão no ecrã ou leitura do teclado.

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2.10 Endereçamento RISC-V para Imediatos e Endereços Longos

Discute os desafios de representar constantes grandes (imediatos) e endereços longos, e como o RISC-V usa instruções como lui, auipc, combinadas com outras (addi, jalr) para construir valores de 32 bits.

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2.11 Paralelismo e Instruções: Sincronização

Apresenta o conceito de sincronização em multiprocessadores com instruções como lr.w (load reserved) e sc.w (store conditional), fundamentais para evitar condições de corrida (race conditions) e implementar locks.

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2.12 Traduzir e Iniciar um Programa

Explica as etapas de tradução de um programa C: compilador → assembly → objeto → ligação (linking) → carregamento (loading). Introduz as ferramentas envolvidas (e.g., assembler, linker, loader) e os tipos de ficheiros (.c, .s, .o, .exe).

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2.13 Exemplo de Ordenação em C: Tudo Junto

Fornece um exemplo completo de ordenar um array em C, a sua tradução para assembly RISC-V, e a análise do desempenho. Mostra como os ciclos for e chamadas a funções são representadas em assembly.

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2.14 Arrays vs Ponteiros

Compara o uso de arrays com o uso de ponteiros em C, tanto a nível de sintaxe como de geração de código assembly. Mostra que os ponteiros podem gerar código mais compacto e rápido, dependendo da optimização.

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2.15 Compilação de C e Interpretação de Java

Apresenta técnicas de compilação e optimização em C, como propagação de constantes e alocação de registos, e compara com a execução de bytecode Java numa Java Virtual Machine (JVM), incluindo métodos, objectos, garbage collection, etc.

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2.16 ARMv8: Material Real

Compara o RISC-V com o conjunto de instruções ARMv8 (64 bits), destacando diferenças e semelhanças, tais como o número de registos, formatos de instruções e modos de endereçamento.

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2.17 x86-64: Material Real

Explora a complexidade da ISA x86-64, mostrando como lida com instruções variáveis em tamanho (1 a 15 bytes), modos de endereçamento avançados, e a sua longa história de compatibilidade com versões anteriores.

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2.18 Falácias e Armadilhas

Lista ideias erradas comuns em design de instruções e hardware, como “mais instruções = melhor desempenho” ou “hardware complexo é sempre mais rápido”, explicando por que estas ideias são enganadoras.

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2.19 Considerações Finais

Resume os principais conceitos do capítulo, reforçando a ligação entre linguagens de alto nível, linguagem de máquina e execução no hardware. Destaca a importância de compreender a base para construir sistemas eficientes.

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2.20 Perspectiva Histórica e Referências

Apresenta a evolução dos conjuntos de instruções desde os primeiros computadores até aos dias de hoje, mencionando marcos como o IBM 701, o PDP-11, o MIPS, e os princípios que guiaram o design moderno de ISAs.

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2.21 Tudo Junto: Multiplicação de Matrizes em C

Aplica os conhecimentos do capítulo numa tarefa prática: multiplicação de matrizes, analisando o impacto do código, do compilador e da ISA no desempenho.

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2.22 Falácias e Armadilhas

Reforça e detalha falhas de raciocínio comuns, com exemplos concretos de como certas decisões de design podem parecer vantajosas mas serem prejudiciais.

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2.23 Observações Finais

Conclui o capítulo com um reforço da ideia central: compreender a linguagem do computador é essencial para todos os programadores, pois permite otimizar desempenho, detectar problemas e compreender o funcionamento interno dos sistemas.

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Podcast e vídeo sobre Sistemas Digitais criado com recurso a AIs

Produzi este vídeo com ajuda de IAs:

-1-carreguei o pdf do 1º capítulo do livro Logic and computer design fundamental 5th edition by Morris Mano no NotebookLM e mandei criar o podcast (só cria áudio em inglês);

-2-carreguei o mesmo pdf numa outra plataforma que converteu as páginas em imagens;

-3-juntei ambas áudio e vídeo numa app que vem com o Windows (ClipChamp) e produzi o vídeo;

-4-carreguei no YouTube que coloca legendas em qualquer língua.

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Resumo extraído do Capítulo 2 do livro "Logic and Computer Design Fundamentals" de Morris Mano

O capítulo 2 apresenta conceitos fundamentais sobre lógica combinatória, fornecendo a base para o projeto e otimização de circuitos digitais. As técnicas abordadas, como álgebra de Boole e Mapas de Karnaugh, são essenciais para a redução de custos e eficiência no design de sistemas digitais.

Capítulo 2 - Circuitos Lógicos Combinacionais

2.1 Lógica Binária e Portas Lógicas

Os circuitos digitais manipulam informação binária, sendo implementados em circuitos integrados. As portas lógicas são os blocos básicos, modeladas matematicamente sem a necessidade de compreender os seus componentes internos.

Operações Básicas da Álgebra de Boole

• AND: A saída é 1 apenas se todas as entradas forem 1.

• OR: A saída é 1 se pelo menos uma entrada for 1.

• NOT: Inverte o valor da entrada.

• NAND e NOR: Complementos das operações AND e OR, respectivamente.

• XOR e XNOR: Exclusivo-OU e o seu complemento.

2.2 Álgebra de Boole

A álgebra de Boole é uma ferramenta fundamental para a manipulação de expressões lógicas. Os operadores seguem leis e identidades que ajudam na simplificação dos circuitos:

• Leis Comutativa, Associativa e Distributiva

• Teorema de DeMorgan, que inverte a operação e os complementos

• Teorema da Consistência: elimina redundâncias em expressões lógicas

2.3 Formas Padrão de Expressões Booleanas

As funções lógicas podem ser expressas de duas formas padronizadas:

• Soma de Produtos (Sum of Products - SOP): Expressão formada por um conjunto de produtos (AND) somados (OR).

• Produto de Somas (Product of Sums - POS): Expressão com um conjunto de somas (OR) multiplicadas (AND).

Os conceitos de mintermos e maxtermos permitem a representação sistemática das funções lógicas.

2.4 Otimização de Circuitos de Dois Níveis

A otimização procura reduzir a complexidade de um circuito. O Mapa de Karnaugh (K-map) é uma ferramenta visual para simplificar expressões booleanas eliminando redundâncias e reduzindo o número de portas lógicas.

Critérios de Custo

• Custo Literal: Quantidade de aparições das variáveis.

• Custo de Entrada das Portas: Soma das entradas necessárias para implementar a expressão.

A minimização das expressões reduz a quantidade de portas e o tempo de propagação do sinal.

2.5 Linguagens de Descrição de Hardware (HDLs)

As linguagens VHDL e Verilog são introduzidas para descrever circuitos digitais. Elas permitem a modelação estrutural e comportamental dos circuitos e facilitam a automação do projeto e a síntese de hardware.

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Resumo extraído do capítulo 1 livro "Computer Organization and Design RISC-V 2nd edition, by Hennessy and Patterson

Capítulo 1: Abstrações e Tecnologia de Computadores

1.1 Introdução

O capítulo introduz a importância dos sistemas computacionais na sociedade moderna e a constante evolução da tecnologia. São destacados exemplos de avanços tecnológicos, como a computação em automóveis, telemóveis, o Projeto Genoma Humano e a Web. Além disso, são apresentadas três grandes categorias de aplicações de computadores:

1. Computadores Pessoais (PCs) – Focados na performance para um único utilizador a baixo custo.
2. Servidores – Computadores de grande capacidade, projetados para múltiplos utilizadores e aplicações complexas.
3. Computadores Embebidos – Presentes em eletrodomésticos, automóveis, entre outros, com requisitos específicos de desempenho e consumo energético.

O capítulo também discute a transição da era do PC para a era dos dispositivos móveis pessoais (PMDs) e a ascensão da computação na nuvem (Cloud Computing).

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1.2 As Sete Grandes Ideias da Arquitetura de Computadores

O capítulo apresenta sete princípios fundamentais da arquitetura de computadores, que orientam o design e a evolução dos sistemas computacionais:

1. Uso de Abstração para Simplificar o Design – Permite projetar sistemas complexos de forma modular.
2. Fazer com que o Caso Comum seja Rápido – Otimização das operações mais frequentes para aumentar o desempenho.
3. Desempenho via Paralelismo – Execução de múltiplas operações simultaneamente para melhorar a velocidade de processamento.
4. Desempenho via Pipeline – Divisão da execução de instruções em etapas sequenciais para maior eficiência.
5. Desempenho via Previsão – Técnicas que antecipam resultados para reduzir atrasos computacionais.
6. Hierarquia de Memória – Uso de múltiplos níveis de memória (cache, RAM, armazenamento) para otimizar acesso a dados.
7. Confiabilidade via Redundância – Implementação de mecanismos para garantir funcionamento contínuo mesmo em caso de falhas.

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1.3 Por baixo do seu Programa

O software é organizado em camadas hierárquicas, com as aplicações no topo e o hardware na base. Duas camadas fundamentais do software são:

• Sistemas Operativos (SO) – Gerem recursos do computador e fornecem serviços como manipulação de ficheiros e controlo de dispositivos.
• Compiladores – Traduzem programas escritos em linguagens de alto nível (como C ou Java) para instruções que o hardware pode executar.

A arquitetura de computadores é baseada numa linguagem binária simples, com instruções representadas por números em base 2. A introdução de compiladores e linguagens de alto nível revolucionou a programação, tornando-a mais acessível e eficiente.

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1.4 Por Dentro do Computador

Os computadores são compostos por cinco componentes principais:

1. Entrada (Input) – Dispositivos como teclados e sensores que inserem dados no sistema.
2. Saída (Output) – Dispositivos como monitores e impressoras que exibem os resultados do processamento.
3. Processador (CPU) – Unidade que executa instruções e controla a operação do sistema.
4. Memória – Armazena dados e programas temporariamente durante a execução.
5. Dispositivos de Armazenamento – Guardam dados permanentemente (discos rígidos, SSDs, memória flash).

Os dispositivos modernos também incluem ecrãs táteis (touchscreen), sensores e conectividade sem fios.

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1.5 Tecnologias para Construção de Processadores e Memória

Os avanços tecnológicos permitiram a evolução dos processadores e memórias ao longo do tempo. O transistor, um interruptor eletrónico, é o componente fundamental dos circuitos integrados (chips), que contêm milhões ou bilhões desses dispositivos.

A Lei de Moore previa a duplicação da densidade dos transistores a cada dois anos, impulsionando melhorias no desempenho dos computadores. No entanto, essa tendência tem desacelerado recentemente devido a limitações físicas.

A fabricação de chips envolve um processo complexo que inclui:

• Produção de lingotes de silício
• Corte em wafers
• Aplicação de múltiplas camadas de circuitos
• Testes e embalagem dos chips

A eficiência na fabricação de chips influencia diretamente o custo dos dispositivos.

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1.6 Desempenho

O desempenho de um computador pode ser medido por diversos critérios, como a rapidez na execução de tarefas ou a capacidade de processar múltiplos trabalhos simultaneamente. Para avaliar o desempenho, são utilizados benchmarks, que testam diferentes aspectos do hardware e software.

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1.7 A Barreira de Energia (The Power Wall)

O aumento da frequência dos processadores levou a um consumo excessivo de energia e geração de calor, limitando os ganhos de desempenho. Para superar essa barreira, os designers passaram a focar-se em eficiência energética e computação paralela.

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1.8 A Mudança para Multiprocessadores

Devido às limitações da velocidade do clock, a indústria passou a adotar processadores multinúcleo (multicore), que permitem a execução paralela de múltiplas tarefas. Isso exige que os programadores desenvolvam software que aproveite essa arquitetura.

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1.9 Benchmarks: Avaliação do Intel Core i7

Para medir o desempenho real de um processador, são utilizados benchmarks, que são conjuntos de testes padronizados. O capítulo apresenta um estudo de caso do desempenho do Intel Core i7 em diversas aplicações.

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1.10 Acelerando Computações: Multiplicação de Matrizes em Python

O capítulo ilustra como técnicas de otimização podem melhorar o desempenho de cálculos matemáticos em linguagens de alto nível, como Python.

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1.11 Falácias e Armadilhas

Os autores alertam sobre equívocos comuns no design de computadores, como:

• Assumir que maior frequência de clock significa automaticamente melhor desempenho.
• Acreditar que um processador mais rápido melhorará o desempenho de qualquer programa.

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1.12 Considerações Finais

O capítulo reforça a importância da compreensão da arquitetura de computadores para programadores e engenheiros, destacando que a evolução tecnológica continua a moldar o futuro da computação.

Se quiser tutoria e/ou explicações sobre matérias que encontre neste blogue, contacte-nos, de preferência por email. Este blogue destina-se à divulgação dos nossos serviços. É apenas uma pequena amostra do que sabemos e podemos fazer. Veja a Lista de Matérias já disponíveis para explicações. Leia testemunhos de antigos alunos.

Resumo extraído do Capítulo 1 do livro "Logic and Computer Design Fundamentals" de Morris Mano

O Capítulo 1 do livro "Logic and Computer Design Fundamentals" de Morris Mano aborda os conceitos fundamentais dos sistemas digitais e da representação da informação. 

Capítulo 1 – Sistemas Digitais e Representação da Informação

Este capítulo introduz os conceitos fundamentais dos sistemas digitais, abordando a natureza da informação e como esta é representada e processada nos computadores. Começa por diferenciar sistemas analógicos e digitais, explicando por que os computadores modernos utilizam representação digital. Apresenta também as diferentes camadas de abstração no design computacional, os sistemas de numeração utilizados para manipulação de dados e os códigos binários usados para representar informação.

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1.1 Introdução aos Sistemas Digitais

Os sistemas digitais são baseados na manipulação de informação representada por valores discretos. O termo “digital” vem do latim digitus (dedo), pois os primeiros computadores foram concebidos para processar números inteiros representados como dígitos.

Os sistemas digitais utilizam circuitos lógicos para processar dados binários, onde cada valor pode ser representado por 0 (falso) e 1 (verdadeiro). Esta abordagem diferencia-se dos sistemas analógicos, que trabalham com sinais contínuos.

1.1.1 Computadores Digitais e a Importância do Binário

O computador digital é um sistema programável capaz de executar uma sequência de instruções armazenadas na memória. Ele processa informação usando circuitos lógicos binários, que operam com dois estados elétricos distintos (0 e 1). Essa escolha deve-se a:

• Simplicidade de implementação: os circuitos eletrónicos podem ser projetados para reconhecer apenas dois níveis de tensão.
• Maior resistência a ruído: sistemas digitais podem interpretar corretamente os valores, mesmo com pequenas variações na tensão.
• Facilidade de armazenamento e processamento: as operações aritméticas e lógicas podem ser realizadas de forma eficiente com números binários.

Os computadores modernos são sistemas digitais de uso geral, capazes de executar várias tarefas, desde cálculos numéricos até processamento de texto e multimédia.

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1.2 Representação da Informação

A informação pode ser classificada como contínua (analógica) ou discreta (digital). Os computadores lidam essencialmente com informação discreta, mas podem converter sinais analógicos para digital e vice-versa.

1.2.1 Sinais Analógicos vs. Sinais Digitais

• Sinal analógico: varia de forma contínua dentro de um intervalo. Exemplo: temperatura, pressão, corrente elétrica.
• Sinal digital: assume apenas um conjunto finito de valores distintos. Exemplo: valores binários 0 e 1.

Para converter sinais analógicos em digitais, usa-se um Conversor Analógico-Digital (ADC). O processo de conversão envolve:

1. Amostragem: medir o sinal analógico em intervalos de tempo fixos.
2. Quantização: atribuir um valor discreto ao sinal medido.
3. Codificação: representar o valor quantizado num sistema binário.

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1.3 Arquitetura de um Computador Digital

Um computador digital é composto por diferentes componentes interligados. A arquitetura básica inclui:

• Unidade Central de Processamento (CPU): processa dados e executa instruções.
• Memória: armazena programas e dados temporários e permanentes.
• Dispositivos de Entrada/Saída (I/O): permitem a interação do computador com o utilizador e outros sistemas.
• Barramento (Bus): interliga os componentes, permitindo a transferência de dados.

1.3.1 Modelo de um Computador Digital

Um computador digital é um sistema que executa instruções armazenadas na memória. A sua estrutura básica inclui:

• Memória: armazena programas e dados.
• Datapath: executa operações aritméticas e lógicas.
• Unidade de Controlo: gere a execução das instruções e o fluxo de informação.
• Entrada e Saída: permitem a comunicação com o utilizador e outros sistemas.

1.3.2 Sistemas Embebidos (Embedded Systems)

Além dos computadores pessoais, existem sistemas embebidos, que são dispositivos computacionais especializados em tarefas específicas. Exemplos incluem:

• Microcontroladores em automóveis.
• Sensores em eletrodomésticos.
• Dispositivos médicos.

Os sistemas embebidos utilizam software dedicado, muitas vezes armazenado permanentemente, para desempenhar funções específicas.

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1.4 Camadas de Abstração no Design de Computadores

Para lidar com a complexidade dos sistemas computacionais, o design é organizado em camadas de abstração, onde cada nível esconde os detalhes do nível inferior:

1. Algoritmos: descrevem o que precisa ser feito para resolver um problema.
2. Linguagens de Programação: traduzem os algoritmos para código executável.
3. Sistemas Operativos: gerem os recursos do computador e executam os programas.
4. Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA): define as operações que o processador pode executar.
5. Microarquitetura: descreve a implementação interna do processador.
6. Transferência de Registos: define como os dados circulam dentro do processador.
7. Portas Lógicas: implementam operações básicas.
8. Circuitos Transistorizados: realizam a computação física.

Este modelo permite a especialização em diferentes níveis do design de computadores.

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1.5 Sistemas de Numeração

Os computadores manipulam números em diferentes bases numéricas:

1. Decimal (Base 10): utilizado pelos humanos.
2. Binário (Base 2): usado internamente nos circuitos digitais.
3. Octal (Base 8) e Hexadecimal (Base 16): formas compactas de representar números binários.

1.5.1 Conversão entre Bases

A conversão entre sistemas de numeração é essencial para a comunicação entre humanos e computadores. Os principais métodos incluem:

• Conversão de Decimal para Binário: dividir sucessivamente por 2.
• Conversão de Binário para Decimal: expandir o número como uma soma de potências de 2.
• Conversão entre Binário, Octal e Hexadecimal: agrupar bits em conjuntos de 3 (octal) ou 4 (hexadecimal).

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1.6 Representação de Dados no Computador

Os computadores representam números, caracteres e outros tipos de dados através de códigos binários.

1.6.1 Código BCD (Binary-Coded Decimal)

O BCD representa números decimais com 4 bits por dígito decimal. Por exemplo, o número 185 em BCD seria:

(185)10 = (0001 1000 0101)BCD

1.6.2 Código ASCII

O ASCII (American Standard Code for Information Interchange) é um código de 7 bits que representa caracteres alfanuméricos e símbolos especiais. Exemplo:

'A' = 01000001
'B' = 01000010

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1.7 Operações Aritméticas em Binário

Os computadores realizam operações matemáticas usando números binários. Algumas regras básicas incluem:

• Adição binária: segue regras similares à adição decimal, mas com base 2.
• Subtração binária: pode usar o método do complemento para facilitar os cálculos.
• Multiplicação binária: baseada em deslocamentos e somas sucessivas.
• Divisão binária: semelhante à divisão decimal, mas operando em binário.

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