Esta unidade apresenta os seguintes conceitos: arquiteturas de memória, dispositivos de entrada e dispositivos de saída.

Confira a seguir os objetivos de aprendizagem desta Unidade:

• Conhecer os periféricos; 

• Entender a montagem de um computador;

• Compreender os princípios da Arquiteturas de Memórias;

• Exemplificar as características dos periféricos.

Um dispositivo de entrada envia informações para um sistema de computador para a realização de um processamento e um dispositivo de saída reproduz ou exibe os resultados desse processamento. 

Os dispositivos de entrada permitem apenas a entrada de dados em um computador e os dispositivos de saída apenas recebem saída de dados de outro dispositivo.

Os dispositivos usados no computador para inserir dados brutos para fins de processamento são chamados de dispositivos de entrada. Por exemplo: teclado, mouse, joystick, touchpad. Um dispositivo de saída é qualquer peça de hardware de computador que converte informações em um formato legível por humanos, que pode ser texto, gráfico, tátil, áudio.

A unidade de entrada do sistema de computador é usada para fornecer dados e instruções ao computador. Esses dados e instruções enviados ao computador são chamados de entradas e os dispositivos usados para inserir as entradas são chamados de unidade ou dispositivos de entrada.

Ao longo da leitura, é possível observar que tais dispositivos oferecem maneiras mais intuitivas de interação e proporcionam um maior nível de imersão ao usuário. 

Tópico 1 - ARQUITETURAS DE MEMÓRIA

2 ARMAZENAMENTO PRIMÁRIO 

O armazenamento primário destina-se a dados e instruções que estão prestes a ser processados pelo processador principal ou que já foram processados. Isso inclui a memória cache e a memória principal (memória RAM). 

A memória cache é integrada ao processador e funciona como um buffer. Esse recurso é executado idealmente na velocidade do processador, garantindo que seja sempre alimentado com dados e códigos de programa. Isso evita que o processador fique ocioso.

Antes que o código do programa e os dados cheguem ao processador para o processamento, a memória principal serve como armazenamento de dados. Executar programas e processar dados da memória principal oferece uma vantagem de velocidade que não pode ser alcançada ao ler e salvar programas e dados do armazenamento de dados secundário. A memória principal é, portanto, mais rápida do que uma memória secundária.

A característica especial da memória principal está no acesso aleatório e na rápida alteração do conteúdo da memória. Por outro lado, a memória principal perde seu conteúdo se a tensão de operação for perdida, por exemplo, ao desligar o computador. Se os dados necessitam ser armazenados permanentemente na memória de trabalho devem ser copiados e gravados, pelo processador principal, da memória de trabalho para o armazenamento secundário.

Em um computador, a conexão entre a memória de dados e o processador sempre foi um gargalo. Na prática, no entanto, isso tem pouco impacto no desempenho geral do sistema. A combinação de previsões de salto pelo processador no código do programa e, ao mesmo tempo, caches grandes e escalonados, interceptam a maioria das solicitações à memória de trabalho e ao disco rígido. 

A memória cache é um componente de computador baseado em chip que torna a recuperação de dados da memória do computador mais eficiente. Ela serve como uma área de armazenamento temporário da qual o processador do computador pode recuperar dados facilmente. Essa área de armazenamento temporário, chamada de cache, está disponível para o processador com mais facilidade e rapidez do que a memória principal do computador, geralmente uma forma de DRAM (Dynamic Random Access Memory – Memória de Acesso Randômico Dinâmica).

A memória dinâmica de acesso aleatório (DRAM) é um tipo de memória semicondutora. De acordo com Gillis (2019), a DRAM armazena bits de dados no que é chamado de armazenamento, ou célula de memória, consistindo de um capacitor e um transistor, que são componentes eletroeletrônicos localizados dentro do chip da memória DRAM. As células de armazenamento são normalmente organizadas em uma configuração retangular. Quando uma carga é enviada através de uma coluna, o transistor na coluna é ativado. Uma célula de armazenamento DRAM é dinâmica, o que significa que ela precisa ser atualizada ou receber uma nova carga eletrônica a cada poucos milissegundos para compensar os vazamentos de carga do capacitor.

A DRAM é um tipo comum de memória de acesso aleatório (RAM) usado em computadores pessoais (PCs), estações de trabalho e servidores. O acesso aleatório permite que o processador do PC acesse qualquer parte da memória diretamente, em vez de realizar esse processo de forma sequencial a partir de um único ponto de partida. A memória de trabalho está localizada próxima ao processador do computador e permite acesso mais rápido aos dados do que dispositivos de armazenamento, como discos rígidos e SSDs (Solid-State Drive – Unidade em Estado Sólido).

A memória cache também é, às vezes, chamada de memória da CPU (Central Processing Unit – Unidade Central de Processamento) porque geralmente é incorporada diretamente ao chip da CPU ou colocada em um chip separado que possui uma conexão de barramento separada para a CPU. Portanto, é mais acessível ao processador e pode aumentar a eficiência e a velocidade de acesso, pois está fisicamente próxima ao processador. A Figura 1 contém uma representação da DRAM. 

Para ficar perto do processador, a memória cache precisa ser muito menor que a memória principal. Como resultado, tem menos espaço de armazenamento. Também é mais caro que a memória principal porque é um chip mais complexo que tem um desempenho melhor.

A memória cache opera de 10 a 100 vezes mais rápido que a RAM e leva apenas alguns nanossegundos para responder a uma solicitação da CPU. O nome do hardware real usado para a memória cache é Static Random Access Memory (SRAM). O nome do hardware usado na memória principal de um computador é DRAM (Dynamic Random Access Memory).

A memória cache não deve ser confundida com o termo mais amplo, os Caches. Estes são armazenamentos temporários de dados que podem residir em hardware e software , sendo esses Caches de grande capacidade e localizados fora do processador.. 

A partir desse contexto, segue abaixo alguns exemplos de armazenamento primário:

• ROM: ao contrário da RAM, a ROM (Read Only Memory) é um armazenamento primário não volátil e permanente. A ROM retém seu conteúdo mesmo quando o dispositivo é desligado. Você não pode alterar os dados nele, apenas lê-lo. A ROM é uma forma de armazenamento mais confiável e normalmente contém instruções de lançamento e outros dados de missão crítica. 

• PROM: a PROM (Programmable Read Only Memory) é uma forma avançada de ROM na qual os dados podem ser gravados – mas apenas uma vez. Semelhante a um CD ou DVD virgem, o PROM inicialmente não possui dados no chip. No entanto, uma vez que os dados tenham sido gravados na PROM, você não poderá alterar ou excluir essas informações. 

• Memória cache: também conhecida como memória da CPU, a memória cache armazena instruções que são frequentemente chamadas por programas de computador durante a operação. Por estar fisicamente mais próximo que a ROM, é aqui que o processador procura as instruções primeiro. Se encontrar os dados de que precisa aqui, o processador pode ignorar o processo demorado de lê-los da memória ou de outros dispositivos de armazenamento. A memória primária fornece acesso rápido à CPU e, portanto, os programas ativos podem ter um desempenho ideal para o usuário final. 

• RAM: a RAM, apesar de sua velocidade e desempenho, é adequada apenas como armazenamento de curto prazo devido ao fato de que uma queda de energia resultará em perda de dados. Essa falta de armazenamento de longo prazo também torna necessário armazenar o trabalho em andamento em um programa.

2.1 TIPOS DE MEMÓRIA CACHE

A memória cache é rápida e cara. Tradicionalmente, foi categorizada em "níveis" que descrevem sua proximidade e acessibilidade ao microprocessador.

A partir desse contexto, de acordo com Paixão (2010), podemos relacionar que existem três níveis gerais de cache:

• O cache L1 ou cache primária é extremamente rápido, mas relativamente pequeno e geralmente é embutido no chip do processador como um cache da CPU.

• O cache L2 ou cache secundária, geralmente é maior que o cache L1. O cache L2 pode ser embutido na CPU, ou pode residir em um chip ou coprocessador separado e ter um barramento de sistema alternativo de alta velocidade conectando o cache e a CPU. Dessa forma, ele não será retardado pelo tráfego no barramento do sistema principal.

• O cache L3 é uma memória especializada projetada para melhorar o desempenho da cache L1 e L2. 

Observe que as caches L1 ou L2 podem ser significativamente mais rápidas que L3, embora L3 seja normalmente duas vezes mais rápida que DRAM. Em processadores multinúcleo, cada núcleo pode ter uma cache L1 e L2 dedicado, mas eles podem compartilhar um cache L3. 

Normalmente, quando um cache L3 faz referência a uma instrução, ele é promovido a um nível de cache mais alto.

No passado, os caches L1, L2 e L3 eram criados usando componentes combinados de processador e placa-mãe.

Recentemente, a tendência tem sido consolidar as três camadas de cache de memória na própria CPU. Por causa disso, o principal método de aumentar o tamanho do cache mudou de obter uma placa-mãe específica com diferentes chipsets e arquiteturas de barramento para obter uma CPU com a quantidade certa de cache L1, L2 e L3 integrado.

2.2 COMPARAÇÃO DE TIPOS DE MEMÓRIA.

A memória cache é importante porque melhora a eficiência da recuperação de dados. Ela armazena instruções de programa e dados que são usados repetidamente na operação de programas ou informações que a CPU provavelmente precisará. O processador do computador pode acessar essas informações mais rapidamente do cache do que da memória principal. O acesso rápido a essas instruções aumenta a velocidade geral do programa.

Melhorar o desempenho e a capacidade de monitorar o desempenho não significa apenas melhorar o conforto geral do usuário. À medida que a tecnologia avança e a confiabilidade em cenários de missão crítica aumenta, a velocidade e a confiabilidade se tornam mais importantes. Mesmo alguns milissegundos de latência podem resultar em custos enormes, dependendo da situação.

2.2.1 Cache x memória principal

A memória dinâmica de acesso aleatório (DRAM) é um tipo de memória semicondutora geralmente utilizada para os dados ou códigos de programas necessários para que um processador de computador funcione. Tanto a DRAM quanto a memória cache são memórias voláteis que perdem seu conteúdo quando a energia é desligada. 

A DRAM é instalada na placa-mãe e a CPU a acessa por meio de uma conexão de barramento. Normalmente, a DRAM possui cerca de metade da velocidade da memória cache L1, L2 ou L3 e é significativamente mais barata. Oferece acesso a dados mais rápido do que a memória flash, unidades de disco rígido (HDD - Hard Disk Drive, ou Unidade de Disco Rígido) e armazenamento em fita. 

Observe que a memória flash é um chip de memória não volátil utilizado para armazenamento e transferência de dados entre um computador pessoal (PC) e dispositivos digitais. Tem a capacidade de ser reprogramada eletronicamente e formatada. É frequentemente encontrado em unidades flash USB, câmeras digitais, unidades de estado sólido (SSD), dentre outros dispositivos.

A DRAM tem sido usada para armazenar dados de disco rígido acessados com frequência para melhorar o desempenho de E/S.

A DRAM precisa ser atualizada a cada poucos milissegundos. A memória cache, que também é um tipo de memória de acesso aleatório, não precisa ser atualizada. A DRAM é construída diretamente na CPU para fornecer ao processador o acesso mais rápido possível aos locais de memória e fornece um tempo de acesso de nanossegundos a instruções e dados frequentemente referenciados. A SRAM é mais rápida que a DRAM, mas por ser um chip mais complexo, também é mais cara de fabricar.

2.2.2 Cache x memória virtual

Conforme Delgado e Ribeiro (2017), um computador tem uma quantidade limitada de DRAM e ainda menos memória cache. Quando um programa grande ou vários programas estão em execução, a memória pode ser totalmente utilizada. Para compensar a falta de memória física, o sistema operacional do computador pode criar uma memória virtual.

Para fazer isso, o sistema operacional transfere dados temporariamente inativos da DRAM para o armazenamento em disco. Essa abordagem aumenta o espaço de endereço virtual usando memória ativa em DRAM e memória inativa em discos rígidos para formar endereços contíguos que contêm um aplicativo (programa) e seus dados. A memória virtual permite que um computador execute programas maiores ou vários programas ao mesmo tempo, e cada programa funciona como se tivesse memória ilimitada.

Para copiar a memória virtual para a memória física, o sistema operacional divide a memória em arquivos de paginação ou arquivos de troca que contêm um certo número de endereços. Essas páginas são armazenadas em disco e, quando são necessárias, o sistema operacional copia do disco para a memória principal e traduz o endereço da memória virtual para um endereço físico. Essas traduções são realizadas por uma Unidade de Gerenciamento de Memória (MMU – Memory Management Unit).

3 ARMAZENAMENTO SECUNDÁRIO

Uma maneira de pensar no armazenamento secundário para o computador é considerar que, uma vez concluído, um projeto precisa ser enviado em um repositório separado, mas ainda assim acessível. A memória secundária do computador funciona da mesma forma, onde após os programas de computador terem concluído suas tarefas, a RAM precisa de um local para armazenar o trabalho finalizado, pois sua memória é temporária. Assim que o computador for iniciado, você poderá acessar o projeto a partir do armazenamento secundário e fazer as adições ou acréscimos necessários (DELGADO; RIBEIRO, 2017). A Figura 2 contém a representação da memória RAM em 3D.

O armazenamento secundário é o armazenamento externo de dados de um computador, ou seja, em dispositivos de armazenamento que não ficam na placa-mãe, ao qual o processador principal não acessa diretamente, mas por meio de interfaces de entrada e saída. O armazenamento secundário é o armazenamento permanente e, ao mesmo tempo, o armazenamento em massa. 

Assim, o armazenamento secundário é usado para armazenar permanentemente dados que não estão sendo processados. Em comparação com a memória primária (memória de trabalho ou memória principal), a memória secundária tem uma capacidade de armazenamento maior, pode armazenar dados de forma permanente mesmo sem fonte de alimentação e funciona muito mais lentamente.

Como um disco rígido, o armazenamento secundário fornece uma grande quantidade de espaço de armazenamento. O disco rígido em particular é otimizado para altas capacidades de armazenamento. O objetivo é poder armazenar o máximo de dados possível permanentemente pelo menor preço possível. A velocidade de escrita e leitura desempenha apenas um papel menor. O tempo de acesso é limitado pela interface e pela mecânica e não permite uma velocidade de trabalho usual para o processador.

Os dados no armazenamento secundário geralmente são organizados em arquivos e diretórios usando um sistema de arquivos.

Além da RAM, todo computador tem outra opção para armazenamento de informações de longo prazo: armazenamento secundário. Cada arquivo que você cria ou baixa é armazenado no armazenamento secundário do computador. Existem dois tipos de unidades de armazenamento usadas como armazenamento secundário em computadores: HDD e SSD. Embora as unidades HDD sejam as mais tradicionais dos dois tipos, as unidades SSD estão rapidamente substituindo as unidades HDD como a tecnologia de escolha para armazenamento secundário.

Os dispositivos de armazenamento secundário geralmente são intercambiáveis, permitindo que você substitua ou atualize a memória do seu computador ou mova sua unidade de armazenamento para outro computador. Existem algumas exceções notáveis, como MacBooks, que não oferecem armazenamento removível.

A partir desse contexto, segue abaixo alguns exemplos comuns de armazenamento secundário:

Discos rígidos: o disco rígido é o armazenamento secundário mais conhecido nos computadores modernos. 

Em muitos computadores, os discos rígidos são agrupados como mídia de armazenamento interno. Você também pode conectá-los externamente via USB ou FireWire, tecnologias que conectam dispositivos a um computador e transferem dados rapidamente. O FireWire também é conhecido pelo termo IEEE 1394 High Performance Serial Bus, sendo utilizado para lidar com mais dados do que o USB, principalmente informações de áudio e visual.

Os administradores de sistema geralmente criam grupos redundantes de mídia de armazenamento com vários discos rígidos para evitar a perda acidental de dados. Para ter certeza absoluta de que os dados são preservados, dois ou mais arquivos de backup são feitos de todos os dados em diferentes dispositivos para restauração rápida. A Figura 3 contém a foto interna de um HD.

Mídia de armazenamento óptico: CDs e DVDs são os dispositivos de armazenamento de dados mais conhecidos entre as mídias de armazenamento óptico. Essas mídias são sucessoras mais eficientes dos disquetes de 3,5 polegadas. Eles tiveram que ser criados em grande número para poder armazenar grandes quantidades de dados. A mídia óptica tem velocidades de leitura, capacidades e portabilidade excepcionais. Como tal, eles ainda estão em uso hoje como armazenamento secundário, embora opções melhores estejam disponíveis. A Figura 4 contém a foto de diversos CDs. 

Fita magnética:  as fitas magnéticas são conhecidas há mais de meio século e costumavam ser a base de todos os sistemas de segurança. Estão disponíveis em forma de cassete e cartucho. Graças aos desenvolvimentos recentes, elas podem armazenar mais de um terabyte de dados. Sua confiabilidade tem sido objeto de muito debate há anos, mas as fitas ainda são usadas como armazenamento secundário e mídia de backup em muitos ambientes corporativos. O armazenamento secundário é assim chamado porque tem acesso direto à CPU. É, portanto, significativamente mais lento do que a memória primária. No entanto, essa falta de velocidade é compensada por outros benefícios. Além de poder manter mais dados, o armazenamento secundário geralmente custa metade do preço de seu equivalente primário. Ele pode, portanto, absorver significativamente mais informações. Um módulo de RAM geralmente tem uma capacidade de armazenamento de 8 GB, enquanto os discos rígidos que agora são padrão podem conter um terabyte. Em termos de capacidade, portanto, não há comparação (DELGADO; RIBEIRO, 2017). A Figura 5 apresenta cartuchos de fita magnética. 

Os dispositivos de armazenamento secundário oferecem vários benefícios, como a capacidade de armazenar grandes quantidades de informações. O armazenamento secundário também elimina os custos outrora enormes incorridos pelas empresas para armazenar documentos importantes em armários ou instalações de armazenamento. 

Além disso, os dispositivos de armazenamento secundário são seguros, confiáveis e duráveis. De acordo com Sheldon (2021), o armazenamento secundário pode incluir unidades de disco rígido (HDDs), unidades de estado sólido (SSDs), discos ópticos , unidades flash USB, disquetes, entre outros dispositivos. Esse tipo de armazenamento contrasta com o armazenamento primário, que se referia aos dispositivos de memória voláteis de um computador, como memória de acesso aleatório (RAM) ou cache de dados. 

Por fim, podemos relacionar que o armazenamento primário e secundário são partes integrantes de uma estratégia de armazenamento abrangente. O primeiro fornece acesso rápido e eficiente aos recursos. O segundo fornece uma solução de armazenamento de longo prazo para a infinidade de documentos, fotos e vídeos que produzimos todos os dias (DELGADO; RIBEIRO, 2017).

Tópico 2 - DISPOSITIVOS DE ENTRADA

2 CARACTERÍSTICAS DOS PERIFÉRICOS

O computador possui capacidade de armazenar grandes volumes de dados em pequenos dispositivos de armazenamento, que podem armazenar esses dados e facilitar a sua recuperação.

Um computador é um dispositivo eletrônico que tem a capacidade de armazenar, recuperar e processar dados. As partes físicas que compõem um computador (a unidade central de processamento, entrada, saída e memória) são chamados de hardware (DURAIRAJ, 2019).

Um conjunto de instruções que executam uma determinada tarefa é chamado de programa ou software. Os periféricos são qualquer dispositivo de hardware conectado a um computador, qualquer parte do computador fora da CPU e da memória de trabalho. A Figura 6 contém a representação de diversos periféricos (de entrada e saída) de um computador. 

Uma vez que as instruções são alimentadas no computador, este funciona automaticamente sem qualquer interferência humana. Os dados são inseridos em um computador em um formato bruto, que é convertido em linguagem compreensível por dispositivos de entrada e processados por uma unidade central de processamento (CPU) para produzir a saída.

As principais características do computador podem ser classificadas em velocidade, precisão, diligência, versatilidade e memória. A diligência pode ser entendida como o processo de trabalhar consistentemente sem demonstrar sinais de cansaço ou tédio. Nós, humanos, quando trabalhamos por longas horas não conseguimos manter o mesmo vigor e concentração, pois a nossa precisão, velocidade e consistência são afetadas por fadiga, exaustão, aborrecimentos etc. 

Os computadores podem trabalhar por longas horas em alta velocidade e precisão sem serem afetados por quaisquer características humanas, pois são programados a seguir ordens e instruções.

A partir desse contexto, de acordo com Durairaj (2019), podemos descrever esses elementos a partir dos seguintes princípios: 

• Velocidade: o computador é capaz de processar os dados em frações de segundos, apresentando as informações necessárias ao usuário a tempo, permitindo que o usuário tome decisões corretas;

• Precisão: inspirado em sua alta velocidade de processamento, a precisão dos computadores é consistentemente alta o suficiente para evitar erros;

• Confiável: a saída gerada pelo computador é confiável apenas quando os dados, que estão passando como entrada para o computador e o programa que dá instruções, são corretos e confiáveis.

Já McLoughlin (2011) afirma que um sistema de computador consiste em uma série de componentes funcionais. Para que essa capacidade seja aproveitada e aplicada ao mundo físico real de humanos, os resultados desses processos devem ser desacelerados, traduzidos em palavras, imagens ou sinais de controle. É o trabalho dos dispositivos periféricos que devem fornecer informações e extrair resultados do processador central. Os dispositivos periféricos são geralmente classificados por sua função:

• Dispositivos de entrada como teclados, mouses, leitores de código de barras e digitalizadores.

• Dispositivos de saída como impressoras, plotters e monitores.

• Dispositivos de armazenamento, que incluem discos rígidos, discos ópticos e unidades de fita magnética.

• Dispositivos multimídia e outros.

Por fim, podemos concluir que um dispositivo periférico é um dispositivo que insere informações em um sistema de computador ou recebe informações do sistema de computador. O fluxo de trabalho normal de um sistema de computador é o seguinte: ele recebe dados e comandos do usuário, processa de acordo com os comandos fornecidos, apresenta-os ao usuário e armazena ou imprime esses dados processados se o usuário der um comando para salvar ou imprimir.

Exceto pelos componentes que processam os dados fornecidos, todos os outros componentes de um sistema de computador são conhecidos como dispositivos periféricos. Ou seja, se um componente de hardware não faz parte dos componentes principais e é usado para colocar informações no sistema do computador ou para obter informações do sistema do computador, então se trata de um dispositivo periférico. Os componentes principais de um sistema de computador são aqueles que controlam o sistema e processam os dados.

3 ARQUITETURA DE E/S DE COMPUTADOR

O computador digital normalmente consiste na unidade central de processamento (CPU), memória, dispositivos de entrada, dispositivos de saída e dispositivos de armazenamento (MCLOUGHLIN, 2011). A Figura 7 contém a representação de uma CPU.

Nesse contexto, de acordo com Delgado e Ribeiro (2017), essas unidades de interface geralmente compreendem as seguintes tarefas: 

• Transmitir e receber registradores/buffer de dados: à medida que a CPU e o periférico operam de forma assíncrona em diferentes velocidades, esses registradores e buffers são usados para manter e transferir dados, de e para o dispositivo periférico. O comprimento desses registros é normalmente o mesmo que o comprimento da palavra de dados do dispositivo periférico.

• Registros de controle: um ou mais registros de controle são usados para capturar e armazenar o comando recebido da CPU. Com dispositivos programáveis, os registros de modo são usados para definir o modo de operação do dispositivo (como leitura ou escrita).

• Registrador de status: cada bit do registrador de status é usado para indicar o status individual e as condições para a CPU. Às vezes, a CPU também grava o registrador de status. Nesse caso o periférico o lê para determinar o status do processador.

• Decodificador de endereço: o dispositivo terá que decodificar o endereço com as informações da CPU para determinar se ela deve responder. Para dispositivos programáveis, uma série de endereços é decodificada.

• Lógica aleatória: para dispositivos simples, circuitos lógicos aleatórios podem ser usados para verificar os registradores de status, ler e gravar os registradores de dados, executar temporização, lidar com sinais de interrupção e outras funções. No entanto, um chip microcontrolador incorporado é frequentemente usado.

A organização de entrada/saída do computador depende do tamanho do computador e dos periféricos conectados a ele. O subsistema de E/S é um modo eficiente de comunicação entre o sistema central e o ambiente externo.

A interface de entrada e saída fornece um método para transferir informações entre o armazenamento e dispositivos de E/S externos. Os periféricos conectados a um computador precisam de links de comunicação especiais para fazer a interface com eles e com a unidade central de processamento. O objetivo do link de comunicação é resolver as diferenças que existem entre o computador central e cada periférico.

Segundo Delgado e Ribeiro (2017), dentre as principais diferenças, podemos relacionar os seguintes itens:

1. Periféricos são dispositivos eletromecânicos e eletromagnéticos e a CPU e a memória são dispositivos eletrônicos. Portanto, uma conversão de valores de sinal pode ser necessária.

2. A taxa de transferência de dados dos periféricos é geralmente mais lenta que a taxa de transferência da CPU e consequentemente, um mecanismo de sincronização pode ser necessário.

3. Os códigos e formatos de dados nos periféricos diferem do formato de palavra na CPU e memória.

4. Os modos de operação dos periféricos são diferentes entre si e devem ser controlados para não atrapalhar o funcionamento de outros periféricos conectados à CPU.

Para resolver essas diferenças, os sistemas de computador incluem componentes de hardware especiais entre a CPU e os periféricos para supervisionar e sincronizar todas as transferências de entrada e saída.

Esses componentes são chamados de unidades de Interface porque fazem interface entre o barramento do processador e os dispositivos periféricos. Por exemplo, o controlador da impressora controla o movimento do papel, o tempo de impressão, entre outras funções.

As linhas de controle são referidas como comando de E/S. Os comandos são os seguintes:

• Comando de controle: é emitido um comando de controle para ativar o periférico e informá-lo o que fazer.

• Comando de status: um comando de status é usado para testar várias condições de status na interface e o periférico.

• Comando de saída de dados: um comando de saída de dados faz com que a interface responda pelo processo de transferência de dados do barramento para um de seus registradores.

• Comando de entrada de dados: o comando de entrada de dados é o oposto da saída de dados. Neste caso a interface recebe um dado do periférico e o coloca em seu registrador de buffer. 

Para se comunicar com os dispositivos de E/S, o processador deve se comunicar com a unidade de memória. Como o barramento de E/S, o barramento de memória contém dados, endereço e linhas de controle de leitura/gravação. Existem três maneiras como os barramentos de computador podem ser usados para se comunicar com memória e E/S:

• Podemos utilizar dois barramentos separados, um para memória e outro para E/S.

• Podemos utilizar um barramento comum para memória e E/S, mas linhas de controle separadas para cada um.

• Podemos utilizar um barramento comum para memória e E/S com linhas de controle comuns.

3.1 INTERFACE DE ENTRADA/SAÍDA

Periféricos conectados a um computador precisam de links de comunicação especiais para a interface com a CPU. No sistema de computador, existem componentes de hardware especiais entre a CPU e os periféricos para controlar ou gerenciar as transferências de entrada/saída.

Esses componentes são chamados de unidades de interface de entrada/saída porque fornecem links de comunicação entre o barramento do processador e os periféricos, possibilitando transferir informações entre o sistema interno e os dispositivos de entrada/saída. A Interface de entrada/saída é necessária porque existem muitas diferenças entre o computador central e cada periférico durante a transferência de informações. 

3.2 CANAIS DE ENTRADA/SAÍDA

Um canal é um componente de hardware independente que coordena todas as E/S para um conjunto de controladores. 

Os canais utilizam processadores separados, independentes e de baixo custo para seu funcionamento, que são chamados de Processadores de Canal, os quais são simples, mas contém memória suficiente para lidar com todas as operações de E/S.

Quando a transferência de E/S é concluída ou um erro é detectado, o controlador de canal se comunica com a CPU usando uma interrupção e informa a CPU sobre o erro ou a conclusão da tarefa.

4 DISPOSITIVOS DE ENTRADA

A entrada é um processo pelo qual os computadores são abastecidos com dados de vários tipos (programas, por exemplo). No sentido mais amplo, qualquer informação que seja passada na forma de dados do mundo externo para a CPU do computador (Unidade Central de Processamento) por meio de dispositivos conectados perifericamente ao computador pode ser descrita como entrada.

Os dispositivos de entrada são usados para inserir informações no computador, para poder registrar e processar o mundo na forma de dados. Nesse processo, as informações inseridas são digitalizadas. Isso permite que os computadores processem dados visuais, auditivos, textuais e outros dados sensoriais (WEBER, 2012). 

Do ponto de vista do PC, um dispositivo de entrada é um dispositivo conectado perifericamente ao computador para inserir dados no computador. A entrada é o processo de transporte de informações do mundo exterior para a CPU do computador. O requisito básico para um dispositivo de entrada é converter as informações em uma linguagem de máquina que o computador possa entender, e o tipo de coleta de informações pode ser muito diferente. Em geral, também é feita uma distinção entre dispositivos para entrada manual e automática.

Os dispositivos de entrada têm a função de transferir informações do mundo externo para a memória principal. O design e a função dos dispositivos de entrada desempenham um papel crucial na interação com os computadores. A seleção de dispositivos de entrada adequados é importante, às vezes severamente restringida por circunstâncias externas. 

Por exemplo, para o terminal de informações de uma estação de trem, por exemplo, um teclado à prova de vandalismo é o mais adequado.  Outro exemplo, podemos observar que mesmo com os dispositivos de entrada convencionais de um local de trabalho, existem diferenças significativas que afetam a precisão e a velocidade de entrada. 

Podemos apontar uma grande diversidade de dispositivos de entrada que estão sendo desenvolvidos e integrados nos equipamentos nos últimos anos, especialmente na indústria do entretenimento e em aplicações de realidade virtual, como mouses 3D, luvas de dados e joysticks. 

Os dispositivos de entrada do computador são parte integrante da funcionalidade do dispositivo. Sem ele, não haveria como um usuário se comunicar com o computador. As máquinas modernas podem lidar com vários dispositivos de entrada diferentes, em uso ao mesmo tempo. A maioria dos dispositivos de entrada se conecta ao computador por meio de uma porta serial padrão ou porta USB. Os dispositivos sem fio se conectam por meio de um adaptador que se conecta à porta USB, ou que já existe internamente no computador.

A partir desse contexto, iremos observar os dispositivos de entrada mais comuns em detalhes e as suas variantes. 

4.1 TECLADO

Os teclados funcionam com base no fato de que cada pressionamento de tecla fecha um circuito diferente, que envia um código específico para a memória RAM do computador. O computador reconhece o código e o converte no caractere desejado. Na Figura 8, vemos uma representação de um teclado.

A principal função do teclado do computador é permitir que o usuário digite comandos que direcionam o computador para fazer o que deve fazer. O usuário pode inserir uma série de números, letras e símbolos usando o teclado. Dispositivos mais modernos carregam botões adicionais que fornecem ao usuário recursos como controle de volume, acesso instantâneo a e-mail e ferramentas para controlar o media player do computador (WEBER, 2012). 

4.2 SCANNER

Os scanners são usados para ler as informações de imagens no computador. Um scanner, conforme apresentado na figura 9, possui um dispositivo que pode ser movido para frente e para trás por um motor sob a placa de vidro e no qual estão localizados os componentes eletrônicos de reconhecimento de imagem. 

Essa estrutura eletrônica consiste em um grande número de células sensíveis à luz e um tubo fluorescente brilhante. Como no olho humano, existem células separadas para cada uma das cores vermelho, verde e azul. Essas células reconhecem o brilho ao mesmo tempo. 

O modelo no painel de vidro é iluminado pelo tubo fluorescente brilhante, e a luz é direcionada para as células. As células percebem isso e convertem a luz em sinais elétricos, que são as informações que são enviadas para a memória do computador (WEBER, 2012).

4.3 WEBCAM

Uma webcam funciona como uma câmera digital. Você pode usá-la para tirar fotos individuais ou gravar vídeos. As imagens vistas pela webcam durante a gravação são convertidas em sinais elétricos e enviadas para a memória do computador (WEBER, 2012). Na figura 10 vemos uma representação de uma webcam. 

Uma webcam permite que os usuários se filmem enquanto estão em seu computador. Os usuários podem armazenar os vídeos no sistema ou executar um aplicativo de vídeo streaming que transmite todos os seus movimentos ao vivo pela Internet.

4.4 MOUSE

Existem duas maneiras de converter o movimento do mouse para que o computador o entenda. A primeira, o método mais antigo, utilizando mouses que tenham uma bola de plástico (geralmente borracha dura) dentro. 

O movimento dessa bola de plástico, para a esquerda e para a direita ou para cima e para baixo, é convertido em sinais elétricos por meio de dois pequenos rolos, que são passados para a memória de trabalho do computador (WEBER, 2012).

A outra maneira de capturar o movimento do mouse é pelos chamados mouses ópticos. Eles basicamente funcionam como uma câmera, que observa constantemente a superfície em que o mouse está apoiado e avalia as imagens quanto a alterações. A partir disso, o movimento do mouse para a esquerda, direita, para cima e para baixo pode ser calculado. Na figura 11 temos uma representação de um mouse.

Os mouses permitem que o usuário controle o cursor na tela. Ao mover o mouse, o usuário decide onde posicionar a tecla de seta na tela. 

Ao clicar com o botão direito do mouse enquanto a seta está posicionada sobre uma área de interesse faz o computador executar o comando apropriado. Alguns mouses são equipados com recursos de rastreamento que permitem ao usuário mover a roda para cima e para baixo em sites ou páginas em arquivos de documentos.

4. 5 JOYPAD

Os entusiastas de jogos podem optar por um joypad para usar como meio de desfrutar de seus jogos de computador favoritos. O dispositivo possui um teclado direcional para mover personagens ou objetos para cima, para baixo, para a esquerda ou para a direita, e vários botões que executam uma variedade de tarefas do jogo. Na figura 12 é apresentado um joypad. 

Os usuários podem configurar seus joypads no painel de controle, uma etapa que permite atribuir teclas específicas para executar funções específicas.

4.6 MICROFONE

O microfone dá ao usuário a capacidade de transmitir sua voz através de seu computador. Na figura 13 temos um exemplo de microfone.

Os microfones de computador são mais comumente incluídos como parte de um dispositivo de fone de ouvido que as pessoas podem usar para falar e ouvir outros usuários de computador pela internet. 

Tópico 3 - DISPOSITIVOS DE SAÍDA

2 OS DISPOSITIVOS DE SAÍDA

Do ponto de vista do PC, um dispositivo de saída é um periférico para saída de dados do computador. A saída é o processo de transporte de informações da CPU (Unidade Central de Processamento) do computador para o mundo exterior. É feita uma distinção, entre outras coisas, em dispositivos para saída em papel e saída acústica, bem como saída em dispositivos visuais. 

Os dispositivos de saída permitem ao usuário ver os resultados do trabalho do computador. São dispositivos que traduzem dados de uma forma binária (um registro de zeros e uns) para uma forma compreensível (imagem, letra, som etc.). Os dispositivos de saída apresentam os resultados do processamento de dados num computador, e podem ser constituídos por um simples indicador de luz (ligado ou desligado), por displays de caracteres ou gráficos, por sistemas de impressão, entre outros.

O dispositivo de saída mais comum – monitor –, envia todas as mensagens do sistema para o usuário, bem como os resultados do processamento de um programa, em formato visual.

O processador gráfico (GPU – Graphics Processing Unit), que pode ser visto na figura 14, é o dispositivo mais complexo para a exibição de imagens na tela do monitor, devido ao fato do conteúdo poder ser processado com sucesso, além da exibição dos textos (PAIXÃO, 2010). 

2. 1 MONITOR 

Os dispositivos de saída têm a tarefa de ler as informações processadas da memória principal do computador e enviá-las para o mundo exterior.

O computador emite a maioria das informações processadas por meio do monitor, o que faz dele o dispositivo de saída mais importante, uma vez que não é possível trabalhar no computador sem um monitor. A Figura 15 contém a representação de diversos monitores de CRTs. 

Não é possível visualizar o que está sendo feito,  sem a sua utilização. Entre os diferentes tipos de telas, podemos destacar o tubo de raios catódicos (CRT), que já está obsoleto, o display de cristal líquido (LCD – Liquid-Crystal Display), o diodo orgânico emissor de luz (OLED – Organic Light-Emitting), o diodo emissor de luz (LED – Light-Emitting Diode), o cristal líquido nemático (TN –Twisted Nematic), o de alinhamento vertical (VA – Vertical Alignment), e horizontal (IPS – In-Plane Switching).

O monitor permite exibir graficamente o resultado de cada uma das ações que você executa enquanto manipula os dispositivos de entrada. Estes podem variar em representação e há cada vez mais modelos com maior qualidade de resolução (DELGADO; RIBEIRO, 2017).

Com a tecnologia de exibição moderna se tornando cada vez mais avançada, os monitores volumosos de tubo de raios catódicos (CRT) não estão mais sendo produzidos (com poucas exceções). Assim, as tecnologias de tela plana se tornaram o padrão de fato e, entre elas, os monitores de tela de cristal líquido (LCD) são os mais predominantes (ROHR; WAGNER, 2020). 

Essa mudança tecnológica também afetou a pesquisa experimental baseada na apresentação computadorizada de estímulos. Com base em décadas de experiência com monitores CRT, suas características são bem conhecidas e comprovadamente proporcionam apresentação de estímulos confiável e precisa (DELGADO; RIBEIRO, 2017).

Uma das diferenças mais notórias entre os dois tipos é a qualidade do processamento da imagem e o tamanho do equipamento. Enquanto os CRTs de tamanho médio pesam cerca de 20 kg e exigem meio metro de espaço traseiro, um LCD do mesmo tamanho de tela pesa cerca de 3 a 5 kg e precisa apenas de 15 a 20 cm de espaço traseiro, conforme é apresentado na figura 16.

2.2 IMPRESSORA 

Embora possa ser difícil de acreditar, a impressora é o primeiro dispositivo de saída do computador, antes do monitor, pois os primeiros computadores não possuíam interface de usuário. Em vez disso, era necessário digitar os dados e, depois, esperar um pouco para receber os resultados (processos) impressos em papel (DELGADO; RIBEIRO, 2017).

Os primeiros modelos de impressoras pareciam mais uma máquina de escrever do que uma impressora moderna. Assim como a máquina de escrever, cada letra tinha sua própria alavanca de tipo que era martelada no papel. Era possível obter uma cópia da impressão com papel vegetal, mas as impressoras eram lentas e muito barulhentas.

Logo as impressoras matriciais se estabeleceram no mundo da informática (DELGADO; RIBEIRO, 2017). Elas também eram bastante barulhentas, mas conseguiram colocar tudo no papel em um período de tempo razoável. No entanto, a qualidade de impressão das impressoras matriciais não era particularmente adequada, devido às suas limitações. A Figura 17 contém a representação da evolução das impressoras ao longo dos anos.

Os processos de impressão mais comuns hoje são a impressão a jato de tinta e a impressão a laser. Como o nome sugere, as impressoras a jato de tinta usam tinta para criar a imagem. Um cartucho de tinta com várias centenas de bicos é movido linha por linha sobre o papel por um motor e as gotículas de tinta mais finas são lançadas no papel.

As impressoras a laser produzem a imagem de maneira semelhante a uma copiadora. Um rolo é carregado eletricamente por um laser nos pontos onde a tinta deve aderir. Em seguida, o papel é passado sobre o rolo, e a tinta então adere ao papel devido à pressão, alta temperatura e produtos químicos especiais. A Figura 18 apresenta uma impressora a laser.

Por fim, temos os modelos multifuncionais, que são muito versáteis. Eles atuam como dispositivos de entrada ao digitalizar documentos e imagens, mas também podem ser considerados dispositivos de saída quando instruídos a imprimir um arquivo. Além disso, podemos obter uma variedade desses dispositivos no mercado, e todos eles se qualificam como dispositivos de saída, até mesmo as impressoras 3D.

2.3 ALTO-FALANTES 

Os alto-falantes são conectados à chamada placa de som do computador. É o dispositivo de saída real que passa o som a ser emitido para os alto-falantes. Embora a primeira saída de som no computador fosse de qualidade muito baixa e na verdade não pudesse fazer mais do que bipes, hoje é possível reproduzir qualquer som no computador. As informações podem ser armazenadas em arquivos com diversos formatos, como por exemplo WAV e MP3 (DELGADO; RIBEIRO, 2017).

Ao executar a ação de reprodução de uma música os alto-falantes ou dispositivos de áudio conectados ao computador são acionados. Outras ferramentas de controle de volume podem melhorar a qualidade deste componente. Por exemplo, ao realizar a atualização dos drivers de áudio e ativar os aprimoramentos de som. Na figura 19 é apresentada uma caixa acústica, contendo dois alto-falantes.

O computador pode ter dispositivos de áudio integrados, mas eles também podem ser considerados dispositivos de saída para fones de ouvido e qualquer outro tipo de dispositivo que emita os sons que seu computador reproduz.

2.4 PROJETORES

Assim como o monitor, os projetores são usados para representar graficamente as ações realizadas por meio de dispositivos de entrada, sendo mais indicados para ações relacionadas à reprodução de conteúdo multimídia e apresentações em grandes grupos.

Esse sistema pode ser conectado em um computador e tudo o que aparece no terminal do computador é ampliado e projetado em uma tela grande. Na figura 20 temos a representação de um projetor.

O projetor de vídeo recebe sinais e projeta a imagem em uma tela de projeção, utilizando um sistema de lentes para essa projeção. Estes são popularmente usados em seminários, palestras em sala de aula, apresentações de marketing, apresentações em salas de conferência etc.

3 DIFERENÇA ENTRE DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA

Alguns exemplos típicos de dispositivos de entrada em um computador são as telas sensíveis ao toque, mouse e teclado, utilizados diretamente para inserir as instruções e informações/dados. 

Por exemplo, os Joysticks e microfones também são considerados como dispositivos de entrada, e permitem que o usuário digite os comandos/instruções e dados no computador. Embora um dispositivo de entrada possa enviar dados, ele não é equipado para obter dados de outro dispositivo. Estes têm codificação complexa e são controlados pelo usuário. A Figura 21 apresenta diversos tipos de Joysticks. 

Um dispositivo de saída é um componente de hardware usado para receber dados como texto, gráficos, áudio/vídeo e assim por diante para realizar uma tarefa. 

Os dispositivos de saída reproduzem, interpretam ou exibem os resultados do processamento dos dados. Exemplos de dispositivos de saída incluem uma impressora, um monitor, alto-falantes e assim por diante. Um dispositivo de saída pode receber dados de outro dispositivo e gerar saída com os dados. O computador controla os dispositivos de saída e, portanto, o usuário precisa apenas ver os resultados, sem necessidade de aprender todo o processo (DELGADO; RIBEIRO, 2017).

Um dispositivo de entrada é conectado a um computador, que envia os dados, enquanto um dispositivo de saída é conectado a um computador que recebe dados de entrada. Os dados enviados pelo dispositivo de entrada para processamento são reproduzidos ou exibidos pelo dispositivo de saída. 

Embora a maioria dos dispositivos seja apenas um dispositivo de entrada ou um dispositivo de saída, alguns também podem aceitar entrada e saída de exibição. A partir desse contexto, o Quadro 1 apresenta as diferenças entre os dispositivos de entrada e saída.

Geralmente, os dispositivos de entrada e saída são considerados uma ferramenta de comunicação, por meio da qual um determinado sistema de processamento de informações (como o computador) entrega outra informação aos usuários. 

Os dados ou sinais que o computador recebe de uma fonte são conhecidos como entrada, enquanto os dados e informações de resposta que são processados como uma reação a essas entradas e que são posteriormente transmitidos para um determinado destino são conhecidos como saída (DELGADO; RIBEIRO, 2017). 

A tarefa básica de todas as unidades de entrada é transferir dados e informações (formato alfanumérico, áudio ou vídeo) para o processador de dados, na unidade central do sistema. Os dispositivos de saída convertem os dados do computador em um formato aceitável externamente. Estas são as unidades usadas para converter informações codificadas em binário da unidade central em uma forma adequada para uso humano. 

Por fim, temos que os dispositivos de entrada e saída trabalham lado a lado para fornecer a experiência de computador ideal. 

Um computador não pode funcionar sem um dispositivo de entrada e saída. Uma vez que a entrada é inserida, um software de computador usa o processador pré-instalado para processar as informações e, quando estiver pronto, o dispositivo de saída pega a informação e a apresenta ao usuário.

LEITURA COMPLEMENTAR

Arquitetura e organização avançada de computadores

Celestino Lopes de Barros 

A arquitetura de computador é uma ciência ou um conjunto de regras que estabelecem como os padrões de software de computador e as instruções de hardware e a infraestrutura de tecnologia se unem e interagem para fazer um computador funcionar. Ela define como os sistemas de computador, plataformas e programas operam. Em outras palavras, a arquitetura do computador define a funcionalidade, o design e o desempenho do sistema. 

A criação da arquitetura de um computador exige que os profissionais de TI determinem primeiro as necessidades dos usuários, as limitações da tecnologia e os requisitos do processo. Os computadores são uma parte fundamental de nossas vidas cotidianas, desde as máquinas que usamos para trabalhar até os smartphones.  Todos os computadores, não importa seu tamanho, são baseados em um conjunto de regras que determinam como software e hardware se unem e interagem para fazê-los funcionar. Isso é o que é conhecido como arquitetura de computador. 

Ao longo desse material, será possível se aprofundar nos princípios e funcionalidades da arquitetura de computadores. 

A arquitetura de computador é a organização dos componentes que compõem um sistema de computador e o significado das operações que orientam sua função. Ela define o que é visto na interface da máquina, que é alvo das linguagens de programação e seus compiladores. Existem três categorias de arquitetura de computador e todas trabalham juntas para fazer uma máquina funcionar. De acordo com Barros (2017), podemos classificar entre os seguintes itens: projeto de sistema, arquitetura do conjunto de instruções (ISA – Instruction Set Architecture) e microarquitetura.

• PROJETO DE SISTEMA: O projeto do sistema inclui todas as partes de hardware de um computador, incluindo processadores de dados, multiprocessadores, controladores de memória e acesso direto à memória. Também inclui a unidade de processamento gráfico (GPU). Esta parte é o sistema de computador físico.

• ARQUITETURA DO CONJUNTO DE INSTRUÇÕES (ISA): Isso inclui as funções e capacidades da unidade central de processamento (CPU). É a linguagem de programação incorporada e define qual programação pode executar ou processar. Esta parte é o software que faz o computador funcionar, como sistemas operacionais como Windows em um PC ou iOS em um Apple iPhone, e inclui formatos de dados e o conjunto de instruções programadas.

• MICROARQUITETURA: A microarquitetura também é conhecida como organização de computadores e define o elemento de processamento e armazenamento de dados e como eles devem ser implementados no ISA. É a implementação de hardware de como um ISA é implementado em um processador específico.

Por fim, no material será possível observar que a arquitetura de computadores lida com o design de computadores, dispositivos de armazenamento de dados e componentes de rede que armazenam e executam programas, transmitem dados e conduzem interações entre computadores, entre redes e com usuários. 

Arquitetos de computadores usam paralelismo e várias estratégias de organização de memória para projetar sistemas de computação com desempenho muito alto. A arquitetura de computadores requer uma forte comunicação entre cientistas da computação e engenheiros da computação, uma vez que ambos se concentram fundamentalmente no projeto de hardware.

Os controladores de E/S conectam o computador a dispositivos de entrada específicos (como teclados e telas de toque) para alimentar informações na memória e dispositivos de saída (como impressoras e telas) para transmitir informações da memória aos usuários. Controladores de E/S adicionais conectam o computador a uma rede por meio de portas que fornecem o canal pelo qual os dados fluem quando o computador está conectado à Internet.

FONTE: BARROS, C. L. Informática aplicada: CSI 3300 – Arquitetura e organização de avançada de computadores. Universidade Virtual Africana, 2017. Disponível em: https://www.researchgate.net/profile/Celestino-Barros/publication/343910135_INFORMATICA_APLICADA_CSI_3300_ARQUITETURA_E_ORGANIZACAO_DE_AVANCADA_DE_COMPUTADORES/links/5f47aac9a6fdcc14c5cee05d/INFORMATICA-APLICADA-CSI-3300-ARQUITETURA-E-ORGANIZACAO-DE-AVANCADA-DE-COMPUTADORES.pdf. Acesso em: 26 ago. 2022.