TSI
Tecnologias e Sistemas da Informação
Tecnologia dos Computadores
Pedro José Guerra de Araújo
Departamento de Informática
Universidade da Beira Interior
Tecnologias e Sistemas da Informação / Tecnologia dos Computadores
o que são afinal ?
Tecnologias
Sistemas
Informação
Computadores
Tecnologia dos Computadores
Que é tecnologia ?
Que a caracteriza ?
Tecnologia ?
Tecnologia  do Grego: Techné + Logia
Techné – saber fazer
Logia – conhecimento organizado
Tecnologia:
• conhecimento aplicado à prática
• saber fazer
Tecnologia ?
• Uma tecnologia é criada para resolver um problema…
desenvolvimento de um componente – ex: transistor
um produto completo – ex: CI’s, placa principal (motherboard)
uma transformação no interior de um processo complexo –
ex: tecnologia do LCD’s, plasmas, …
frequentemente faz uso de outras tecnologias – ex:laser, vidro, plásticos,…
 implícito:
– saber fazer coisas : “knowledge of how to do things”
– processo de satisfação das necessidades e desejos da
sociedade : “the system by which a society satisfies its needs
and desire”
Tecnologia : uma definição
Tecnologia = “conjunto complexo de conhecimentos, de meios e de
know-how, organizado com vista a uma produção”
conhecimentos: pertencem a uma disciplina científica, mas não constituem uma
tecnologia (ex: cálculos matemáticos);
meios: concretizam a tecnologia, mas não garantem a sua utilização
(ex: equipamentos não têm utilidade sem pessoal qualificado);
know-how : meio de produção de resultados, mas que sem suporte cai
rapidamente em desuso (ex: têxteis, especialização não aplicada);
Obriga três componentes em simultâneo : um ou mesmo dois não bastam!
Exemplo: se o conhecimento incompleto dos fenómenos impede a utilização plena
de uma tecnologia, a inexistência de meios não a deixa sequer sair do papel.
Tecnologia e Conceitos Associados
Relacionamento entre:
•
Tecnologia ↔ Ciência : tecnologia ≠ ciência
 ciência visa a aquisição ou reforço do conhecimento (certezas provisórias)
 tecnologia visa a aplicação útil desse conhecimento (produção em
condições industriais, não muito difíceis nem esotéricas, mas definidas
com precisão)
•
Tecnologia ↔ Inovação : tecnologia é o suporte da inovação;
 as empresas inovam para competir e sobreviver
 a inovação deve constar da estratégia da empresa
•
Tecnologia ↔ Investimento : é necessário investir para a obter
 seja desenvolvendo, seja adquirindo
Características da tecnologia
•
É negociável e transferível
 uma empresa pode comprar tecnologia desenvolvida por outra
 podem conceder-se licenças de exploração (ex: patentes), com base em
contratos que estabelecem o know-how que é transferido, incluindo
cláusulas de garantia (de qualidade, de cedência e de resultados)
•
Apela a várias disciplinas científicas
 ex: Laser  óptica, electrónica, mecânica dos fluidos, termodinâmica, …
Características da tecnologia
•
Oportunidade (de negócio)
 esperança: para quem se lança numa nova tecnologia (ex:RFID)
 ameaça: para quem faz investimentos industriais e comerciais sem
certeza de os ver amortizados (ex: BluRay[Sony] / HD-DVD[Toshiba] ou
VHS[JVC] e Betamax[Sony] década de 1980)
•
Avaliação da actualidade (lançamento de uma nova tecnologia)
 há muita actividade de I&D nesta área?
 que empresas estão interessadas nela, quer para a desenvolver, quer
para a aplicar?
 que inovações origina: novos produtos e novos processos?
 como está protegida? existem patentes registadas?
 principal suporte da sua difusão? (como é difundida?)
 regista insucessos?
Apresentação da Tecnologia
Uma tecnologia pode apresentar-se sob a forma de:
•
um produto tecnológico (tangível) [ex: transístor]
•
um processo tecnológico (método intangível) [ex: tecnologia dos
semicondutores, processo de trabalhar os materiais semicondutores]
•
um tipo incorporado no outro (tangível e intangível)
•
um conhecimento ou um modelo conceptual pronto para ser
produzido (conhecimento explicitado em patentes, relatórios de investigação
aplicada, manuais etc.).
Trabalhar com a tecnologia tangível é mais simples do que tratar
do intangível que está incorporado em um produto ou processo
(ex: é fácil calcular o valor de um produto com base no custo dos materiais que o
compõem, mas é difícil avaliar a contribuição do know-how)
Tecnologia: ciclo de vida
utilização
• Nasce, vive e morre
Nascimento
Crescimento
Maturidade
períodos
Declínio
tempo
Sistemas
Em geral: sistemas físicos: sistema solar;
sistema biológicos: o corpo humano;
sistema sócio-económicos: empresas, sociedades
Definição: conjunto de componentes inter-relacionados e inter-dependentes que
formam um todo e que trabalham juntos para atingirem objectivos comuns.
Um sistema é composto por quatro funções básicas:
1) Input: recolha/aquisição dos elementos que entram no sistema para serem
processados. Ex: matérias primas, energia, esforço humano
2) Tratamento: processo de transformação dos dados em produto acabado
3) Armazenamento: armazenamento temporário dos produtos
4) Output: produto acabado, resultante do processo de transformação
Sistema
Ex: linha de montagem de automóveis
Montagem
Input
Tratamento
Output
Automóveis acabados
Ex: componentes automóveis
Armazenamento
Automóveis à espera de serem expedidos
Dados → Informação
Dados
Factos e/ou eventos isolados (palavras, números, sons, imagens), não estando agrupados em
nenhuma forma particular que os torne úteis para serem utilizados.
Ex: Covilhã, 9ºC, 1/1/2009, 10h30m
Informação
Resultado do tratamento dos dados, atribuindo-lhes significado e um formato que possibilita
compreender esses dados (e usá-los para tomar decisões).
Ex: temperatura na Covilhã às 10h30m do dia 1/1/2009 foi de 9ºC
“Informação é aquele conjunto de dados que, quando fornecido de forma e a tempo adequado,
melhora o conhecimento da pessoa que o recebe, ficando ela mais habilitada a desenvolver
determinada actividade ou a tomar determinada decisão”
Sistemas e Tecnologias da Informação
DADOS
SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
• referem-se à definição
informação (por/para quê)
e
uso
TECNOLOGIAS DE INFORMAÇÃO
da
• estabelecem os requisitos de informação
para o negócio e as aplicações necessárias
• conjunto de componentes relacionados
cuja função é recolher, guardar, processar
e divulgar informação
• referem-se
(como)
ao
fornecimento
da
informação
• infraestrutura tecnológica da informação,
fornecendo a plataforma sobre a qual a empresa
pode construir o seu sistema de informação.
• “veículo” de disponibilização da informação e de
suporte aos SI surgindo na forma de:
• software : sistemas operativos, bases de dados,
linguagens de programação, aplicativos,…
• hardware : computadores, impressoras,
dispositivos de rede,…
INFORMAÇÃO
Computador ?
•
"Computador é uma máquina que executa operações matemáticas e/ou lógicas com
símbolos numéricos, alfanuméricos ou outras formas de informação e produz resultados
compreensíveis pelo homem ou por outras máquinas." (in Collier's Encyclopedia).
Esta definição não caracteriza o computador, pois abrange por exemplo uma máquina de lavar
roupa - calcula tempos de lavagem, quantidade de água, executa funções com base em
sequências pré-determinadas e produz um resultado (roupa lavada)
• A definição seguinte apresenta outra característica: as instruções.
"Computador é um conjunto de dispositivos electrónicos capazes de aceitar dados e instruções,
executar essas instruções para processar os dados, e apresentar os resultados. (in Academic
Press Dictionary of Science Technology)
Assim, computador pode ser esquematicamente entendido como:
Dados
electrónica
+
instruções
Resultados
No entanto, esta definição/esquema não distingue, por exemplo, uma calculadora de um
computador.
Computador ?
• Definição um pouco mais abrangente:
“É um equipamento eletrónico capaz de armazenar, recuperar e processar
dados. O processamento inclui ordenar, calcular, testar, pesquisar e editar
dados e informações de acordo com instruções estabelecidas, segundo uma
representação binária e de acordo com um conjunto de regras aritméticas e
lógicas.”
•
São constituídos por uma parte física, o hardware e pelas instruções de
controlo, o software. O hardware é relativamente imutável, enquanto o
software pode alterar-se facilmente.
•
O termo computador, está hoje em dia associado a máquinas que operam
de modo diferente consoante a necessidade e indicações recebidas do
exterior, pelo que computador é um sistema, cujas tarefas diferem ao longo
do tempo, em função das necessidades e requisitos de utilização, alterando
apenas o componente de software.
Computador como um sistema tecnológico
dados → informação
Processamento
dados
Input
•sumariar
•filtrar
•formatar
•...
informação
Output
•interpretar
•decidir
•agir
Armazenamento
Hardware + Software
Finalidade das TSI: “obter as informações certas, para as pessoas certas,
no momento certo, na quantidade e formato certos”
Exemplos de tecnologias
1) Microscópio electrónico: usa um feixe de electrões para visualizar a estrutura
dos materiais
COUBI (Centro de Óptica da UBI): observação e registo de materiais sólidos a vários aumentos
(300.000x máx.) com uma resolução até 40 Å e tensão de aceleração de 0.2 – 30 kV.
[1 Å (angstron = 10-10 m) corresponde a uma distância 10 biliões de vezes menor que 1 metro;
um átomo de carbono tem 1 Å de diâmetro ]
2) Wearable technologies: um "wearable computer" é um tipo de computador
adicionado ao corpo do utilizador, através da roupa que este veste, controlado por ele
e permanentemente ligado e acessível. É um dispositivo que está sempre presente e
com o qual o utilizador pode interagir enquanto realiza as suas actividades normais,
como caminhar.
1) Centro de Óptica da Universidade da Beira Interior - COUBI
CD-ROM virgem (ampliação 5000x)
CD-ROM original (ampliação 5000x)
CD-ROM gravado (ampliação 9000x)
2) Wearable Technologies : desporto
Wearable Technologies : lazer
Levi’s
Air Guitar
Wearable Technologies : desporto
Numetrex
Cardio Shirt
Heart Rate
Monitor
Sports Bra
Polar
Wearable Technologies : T-Shirts
Smart Shirt
Vital Jacket
Valores de FC
Temperatura do corpo
Taxa de respiração
LifeShirt
Monitoriza
30 sinais vitais
•
•
•
•
Valores de FC
Visualização do ECGv
Universidade de Aveiro
http://www.vitaljacket.co
m/)
Wearable Technologies : Sensores Têxteis
• Aplicações:
• Teclados
• Actividade Muscular e Detecção de Movimento
• Parâmetros vitais: pulsação, temperatura, respiração, tensão
arterial, ECG(electrocardiograma)
• (outras)
site de interesse:
Wearable Computing Lab, ETH Zurich, Switzerland : http://www.wearable.ethz.ch/
Textile Keyboards : iPod controller
Wearable Technologies : aplicações médicas
Sensores aplicados em tecidos hospitalares (colchão, lençóis), permitindo avaliar automaticamente:
• Decúbito: posição em que a pessoa está deitada, não necessariamente dormindo; alguns decúbitos
preferidos podem ser sinais de algumas doenças cardíacas e pneumológicas
• Comportamento cinético: modo como a pessoa se movimenta (ex: prevenir escaras)
• Incontinência
• Temperatura
• UBI → colchão para prevenir úlceras de pressão : Projecto MEDTEX - http://www.medtex.com.pt/
Smart Carpet : A Textile-based Large-area Sensor Network
microprocessadores integrados num tecido com fios entrelaçados de cobre-prata
sinais dos sensores num PC,
sinais gerados por uma pessoa
gerados pelo andar de uma pessoa
caída sobre a carpete
(dimensões da carpete = 240cm x 200cm)
Wearable Technologies : calçado inteligente
Ligação à Internet:
• permite que um utilizador corra com um parceiro localizado à distância, (também
ligado via Internet)
• pode ser complementado com um sistema de óculos "eye-to-eye“ em que uma parte do
campo de visão de um dos utilizadores é transmitido para o outro
• mede o impacto no chão dos vários pontos do sapato, permitindo reabilitação e
também sincronizar o passo entre utilizadores distantes
Um pouco de história…
Desde há milénios que o homem utiliza os mais diversos dispositivos para o auxiliar nos
cálculos numéricos, particularmente na manutenção de inventários ou em trocas comerciais
ex: entalhes no cajado, utilizados pelos pastores para contar os animais dos seus rebanhos
Como os cálculos foram ficando mais complicados e aumentando de quantidade,
surgiu o ábaco, há cerca de 2500 anos, ainda hoje usado
O uso do papel e da escrita, especialmente na Europa, fez decair a importância do Ábaco,
mas 12 séculos foram necessários para que surgisse um novo avanço na computação.
1633- William Oughtred representou os logaritimos de Napier em escalas, a que deu o nome de
Círculos de Proporção. Este dispositivo originou a Régua de Cálculos, conhecida até hoje.
Esta régua é considerada como o primeiro computador analógico da História.
1642 - Blaise Pascal (francês), com apenas 18 anos, inventou um calculador numérico a
rodas dentadas para ajudar o seu pai (cobrador de impostos) no trabalho.
A Pascaline executava
adições até 8 dígitos
1694 - o matemático e filósofo Gottfried Leibniz (alemão) melhorou a Pascaline criando
uma máquina que também multiplicava.
1801 – Joseph Marie Jacquard, mecânico francês, sugeriu controlar teares por meio de
cartões perfurados. Os cartões forneceriam os comandos necessários para a tecelagem de
padrões complicados em tecidos.
1820 – Charles Xavier Thomas construiu uma máquina capaz de efetuar as 4 operações
aritméticas básicas: a Arithmometer. Esta foi a primeira calculadora realmente
comercializada com sucesso.
Arithmometer
No entanto, o verdadeiro início dos computadores que hoje conhecemos deve-se ao
professor de matemática inglês Charles Babbage. Foi ele quem primeiro descobriu que as
máquinas podiam executar operações repetitivas (automação).
1822 – Babbage apresentou um projecto que consistia numa máquina diferencial.
Preocupado com os erros contidos nas tabelas matemáticas da época, construiu um
modelo para calcular tabelas de funções (logaritmos, funções triginométricas, etc.) sem a
intervenção de um operador humano, a que chamou Máquina das Diferenças (Difference
Engine). Ao operador cabia somente iniciar a cadeia de operações e a seguir a máquina
executava os cálculos, preparando totalmente a tabela prevista. A máquina baseava-se no
princípio de discos giratórios e era operada por manivelas.
1833 – Babbage, projectou uma máquina, a que chamou Máquina Analítica, muito mais
geral que a Máquina das Diferenças. Possuia 4 componentes: armazenamento (memória),
engenho (unidade de cálculo), seção de entrada (leitora de cartões perfurados) e
secção de saída (saída perfurada e impressa). Não chegou a ser construída, mas as idéias
são usadas ainda hoje. As operações eram comandadas pelos cartões, de modo que, de acordo
com os resultados dos cálculos intermediários,a máquina poderia saltar os cartões, modificando
dessa forma o curso dos cálculos.
A condessa Augusta Ada King, filha do poeta inglês Lord Byron, foi
assistente de Babbage ajudando-o na programação do computador,
tornando-se assim na primeira mulher programadora. Nos anos 80, o
governo dos EUA deu o seu nome à linguagem de programação ADA.
1854 - Álgebra Booleana : desenvolvida pelo matemático inglês George Boole, para
investigar as leis do raciocínio humano - conceitos usados atualmente como base dos
sistemas digitais e da computação.
1876 - Máquina Analógica - Lorde Kelvin ⇒ usada na previsão de marés
Digital X Analógico
Analógico: Infinidade de “estados possíveis”
Digital: Apenas dois “estados possíveis”: ligado ou desligado.
Chamados níveis lógicos (0 e 1).
1890 - o inventor americano Herman Hollerith aplica o mesmo conceito de Jacquard do
cartão perfurado. A diferença relativamente a Babbage é que o cartão em vez de conter
instruções de programação contém dados para serem processados pela máquina.
Hollerith comercializou o seu leitor de cartões, fundando em 1896 a Tabulating Machine
Company que em 1924, após várias transformações, levou à criação da International
Business Machines (IBM).
1940 – O Prof.Atanasoff e o seu assistente Clifford Berry (Iowa State University) são os
primeiros a aplicar a álgebra de Boole (1854) nos circuitos do computador agora totalmente
electrónico.
Howard Aiken, engenheiro da IBM, cria em 1944 um calculador totalmente electrónico
(Harvard-IBM Automatic Sequence Controlled Calculator ou MARK I). A finalidade deste
era a criação de cartas balísticas para a USNavy.
Grace Hopper em 1945, enquanto trabalhava no
MARK II, encontrou o primeiro bug de computador
no sentido literal do termo (uma barata morta num
relé). Daí para diante ela e os colegas, sempre que o
computador parava, diziam a Howard Aiken que
estavam fazendo debugging ao computador.
Tecnologia dos Computadores
estrutura básica (lógica) de um computador…
Tecnologia dos Computadores
Arquitectura de Von Neumann
execução das instruções
(linguagem máquina)
dados
&
programas
(alto/baixo nível)
entrada de dados
&
saída de resultados
John Von Neumann (1903-1957)
•
•
•
•
•
Matemático húngaro naturalizado norte-americano.
Mecânica Quântica, Teoria dos Jogos, Ciência de Computação, etc.
Participou no Projecto Manhattan responsável pela criação das primeiras bombas atómicas.
Um dos mais importantes matemáticos do século XX.
Professor na Universidade de Princeton e um dos construtores do ENIAC e do EDVAC.
Tecnologia dos Computadores
Arquitectura de Harvard
•Duas memórias diferentes e independentes em termos de barramento e ligação ao processador.
•Vantagem  dupla ligação às memórias de dados e programa (código), permitindo que o
processador leia uma instrução ao mesmo tempo que faz um acesso à memória de dados.
Tecnologia dos Computadores
Arquitectura de Von Neumann
usada nos microprocessadores (ex: Pentium)
Arquitectura de Harvard
usada nos microcontroladores (ex. i8051, PIC)
Evolução histórica
1ª GERAÇÃO (1951 A 1959): tecnologia das VÁLVULAS
• Válvulas idênticas às utilizadas nos receptores de rádio e de TV;
• Utilizavam cerca de 20.000 válvulas que fundiam muito frequentemente;
• Máquinas enormes, caras, lentas e muito consumidoras de energia;
• Exemplos: ENIAC, MARK I, EDVAC, IBM650, UNIVAC I (1º computador
produzido em escala comercial)
Montagem “cordwood”
cordwood module
Tecnologia dos Computadores
ENIAC - Electronic Numerical Integrator Automatic Computer
(1946 - John Eckert John Mauchly da Electronic Control Company)
• primeiro computador digital de grande escala
• continha 30 unidades autónomas, 20 designadas acumuladores
• acumulador – somador de 10 dígitos capaz de armazenar os resultados dos cálculos
• digitos decimais: 0-9
• pesava30 toneladas, 5.50m de altura e 25m de comprimento, 180 m² de área construída.
• 70 mil resistências, 17.468 válvulas
• conta-se que quando accionado pela primeira vez, consumiu tanta energia que as luzes de
Filadélfia piscaram
ENIAC
• Não tinha sistema operativo, funcionando como uma calculadora operada manualmente.
• No ENIAC era preciso ligar fios, relés e sequências de interruptores para determinar a tarefa
a ser executada  a cada tarefa diferente o processo deveria ser refeito.
• A resposta era dada por uma sequência de lâmpadas.
ENIAC
EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer
Numeração binária
Operações: adição, subtracção, mult., divisão
6.000 válvulas, 12.000 diodos
Consumo 56KW
45.5m2, 7.850 kg
EDSAC, Cambridge University, 1949
UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer)
Projetado por J. Presper Eckert e John Mauchly, os inventores do ENIAC
Primeiro computador comercial fabricado e comercializado nos EUA (fabricados 46)
O ultimo funcionou até 1970
5.200 válvulas, 18.000 diodos de cristal, 300 relais, consumo 125 kW
35 m2 de espaço, pesava 13 toneladas,
1905 operações por segundo, clock de 2.25MHz
http://www.youtube.com/watch?v=j2fURxbdIZs&feature=player_detailpage
UNIVAC
Memória de mercúrio
Evolução histórica
2ª GERAÇÃO (1959 A 1965): tecnologia do TRANSISTOR.
• Inventados em 1947;
• Pequenos e baratos;
• Consomem pouca energia, confiáveis e rápidos;
• Computadores muito usados em energia atómica e aplicações militares;
• Exemplos: IBM 1401, IBM 7094, PDP-11.
2ª geração: IBM 1401
IBM
1402
Card
Read
Punch
IBM
1403
Printer
IBM 1401
Processing
Unit
2ª geração: IBM 1401
SMS (Standard Module System)
Operators Control Panel
2ª geração: IBM SSEC , PDP-11
IBM SSEC : 1959
PDP-11 : 1960
Evolução histórica
3ª GERAÇÃO (1965): tecnologia de CIRCUITO INTEGRADO.
• Muitos transistores e outros componentes montados em um único chip;
• Muito confiáveis, pequenos, rápidos, baratos e com baixo consumo de energia;
• Exemplos: IBM 360.
Primeiro circuito integrado
(Jack Kilby, Texas Instruments, EUA, 1958)
Circuito integrado (CI)
visto por dentro e por cima.
Chip
Terminais do CI
Fios finíssimos
de ligação do chip
aos terminais do CI
3ª geração: IBM 360
Escala de Integração
Após 1970 : evolução tecnológica deu-se principalmente a nível da miniaturização.
ESCALA DE INTEGRAÇÃO: nº de componentes num único chip.
SSI (Small Scale Integration) – Integração em pequena escala: são os CI com menos componentes.
Podem conter até 30 dispositivos por pastilha (chip).
MSI (Medium Scale Integration) – Integração em média escala: corresponde aos CI com várias
centenas de componentes, podendo possuir de 30 a 1000 dispositivos por pastilha (estes circuitos
incluem descodificadores, contadores, etc.).
LSI (Large Scale Integration) – Integração em grande escala: contém milhares de componentes
podendo possuir de 1000 até 100 000 dispositivos por pastilha (estes circuitos normalmente efectuam
funções lógicas complexas, tais como toda a parte aritmética duma calculadora, um relógio digital,
etc.). [1969]
VLSI (Very Large Scale Integration) – Integração em muito larga escala: é o grupo de CI com um
número de componentes compreendido entre 100 000 e 10 milhões de dispositivos por pastilha (são
utilizados na implementação de microprocessadores). [1975]
ULSI (Ultra Large Scale Integration) – Integração em escala ultra larga: É o grupo de CI com mais de
10 milhões de dispositivos por pastilha. [1990, ex:Pentium (Intel)]
Nos computadores actuais, quase todos os chips usados são do tipo LSI, VLSI ou ULSI. Os chips SSI
e MSI são ainda usados em pequenas quantidades, normalmente para auxiliar os chips LSI e VLSI.
Evolução histórica
4ª GERAÇÃO: para alguns estamos na 3ª geração; para outros estamos na 4ª geração, desde
1975 com os circuitos de VLSI.
5ª GERAÇÃO: alguns autores consideram a partir de máquinas RISC, circuitos integrados
ULSI e processamento paralelo.
Evolução dos microcomputadores/microprocessadores
• 1981/1984; IBM-PC, Maicintosh (Apple): Tem início a guerra de preços no mercado.
• 1985/1986: O PC e compatíveis tornam-se padrão para aplicações comerciais e pessoais.
• 1986/1988: Surgem os micros 386 e a IBM lança o OS/2.
• 1989/1991: 486. Microsoft faz sucesso com o Windows 3.x. Interface Gráfica.
• 1993/1994/1995: Pentium de 60 e 66Mhz, 75Mhz, 133Mhz
• 1996: Pentium PRO de 166Mhz e 180 Mhz e Cyrix CX6x86 (P166+) 133Mhz.
• 1997: Pentium MMX de 166MMX, 200MMX e 233MMX (MMX: Multimedia Extensions).
• 1998: Pentium II de 300, 333, 350 e 400Mhz e Celeron de 233, 266, 300 e 330 Mhz.
• 1999: Pentium III de 450 e 500Mhz.
• 2002: Pentium IV de 2GHz e Athlon XP de 2Ghz (AMD), 3,2Ghz
Classificação de computadores : Tamanho & Tipo
Super computador (ex: NEC SX-3, Cray XMP e PARAM(Índia) )
•Grande e caros, podem processar triliões de instruções em segundos.
•Governos, instituições de investigação e militares, usam-nos para cálculos e trabalhos pesados.
•São usados na indústria cinematográficas (Hollywood) em animação.
•Também usados para efectuar previsões meteorológicas.
Mainframes (ex: IBM série 3000 )
•Podem processar milhões de instruções por segundo;
•Usados em hospitais, companhias de aviação, bancos, etc
Minicomputador (IBM AS400, VAX)
•Usados em pequenas empresas, universidades, etc
Computadores pessoais - PC
•Baixo custo, pequenos e portáteis
•Actualmente muito potentes
Notebooks (ex: ASUS eeePC)
•Tamanho reduzido e baixo peso, fáceis de transportar para qualquer lugar.
•Podem armazenar a mesma quantidade de dados e ter memória idênticas à do PC
•Pode-se dizer que é a substituição do computador pessoal.
Classificação de computadores : Tamanho & Tipo
Digitais
•Manipulam dados em forma binária discreta (0,1);
•São muito precisos e são os mais comuns;
Analógicos
•Representam dados de forma contínua, usando quantidades físicas;
•Usam fenómenos eléctricos mecânicos ou hidráulicos para modelar o problema a ser resolvido;
•Genericamente usam um tipo de grandeza física para representar o comportamento de outro
sistema físico ou função matemática, através de um processo de simulação;
•Não são tão precisos quanto os digitais, mas são mais rápidos;
•São utilizados para fins científicos ou de engenharia;
Híbridos
•Computadores híbridos combinam as melhores características dos digitais e dos analógicos;
•Podem aceitar entradas analógicas, fornecendo saídas digitais;
•O híbrido tem a velocidade do analógico e a precisão do digital;
•O componente digital normalmente serve como o controlador e proporciona operações lógicas
enquanto o componente análogo serve normalmente para solucionar equações diferenciais
Analógicos & Híbridos
Computador analógico
Computador híbrido
- Semicondutores: a tecnologia do silício
• diodos
• transistores
- Fabricação
- Circuitos impressos (PCB)
Pedra dura...
silício : do latim, silex, sílex ou "pedra dura"), símbolo Si
• número atômico 14 (14 protões e 14 electrões) , massa atómica 28
• descoberto por Jöns Jacob Berzelius, em 1823
• encontra-se no estado sólido à temperatura ambiente
• segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, perfazendo mais de 28% de sua
massa (o primeiro é o oxigénio)
• aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia, normalmente na forma de dióxido de
silício (também conhecido como sílica) e silicatos (compostos contendo silício, oxigênio e
metais).
• é o principal componente do vidro, cimento, cerâmica, da maioria dos componentes
semicondutores e dos silicones (que são substâncias plásticas muitas vezes confundidas
com o silício)
(http://pt.wikipedia.org/wiki/Sil%C3%ADcio )
Portanto os computadores são feitos essencialmente de... areia!
Semicondutores
Semicondutor intrínseco
-273ºC = isolante
20ºC = fraco condutor
Processo de dopagem
Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro
(intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco.
As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor
intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos
dadores e impurezas ou átomos aceitadores.
Átomos dadores têm cinco electrões de valência (são
pentavalentes): Arsénio (AS), Fósforo (P) ou Antimónio (Sb).
Átomos aceitadores têm três electrões de valência (são
trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al).
Electrão
livre do
Arsénio
Semicondutor tipo N
Semicondutor tipo P
A junção PN
A junção de um material semicondutor do tipo P (com excesso de lacunas) com um
material semicondutor do tipo N (com excesso de electrões livres) origina uma junção
PN. Na zona da junção, os electrões livres do semicondutor N recombinam-se com as
lacunas do semicondutor P formando uma zona sem portadores de carga eléctrica que se
designa por zona neutra ou zona de deplecção.
Electrões livres
Lacunas
Zona neutra ou
zona de
deplecção
68
Princípio de funcionamento
Quando polarizada inversamente a junção PN não conduz, porque na junção a zona
neutra ou zona de deplecção (zona sem portadores de carga eléctrica) alarga, a
resistência eléctrica aumenta significativamente e a corrente eléctrica não passa.
Electrões livres
Lacunas
Zona neutra ou zona de
deplecção alargada
69
Princípio de funcionamento
Quando polarizada directamente a junção PN conduz porque na junção a zona neutra
ou zona de deplecção (zona sem portadores de carga eléctrica) estreita, a resistência
eléctrica diminui e a corrente eléctrica passa.
Electrões livres
Lacunas
Zona neutra ou zona de
deplecção estreitada
70
Junção PN directamente e inversamente polarizada
A junção PN está directamente polarizada quando o
potencial negativo da alimentação está ligado ao
semicondutor N e o potencial positivo da alimentação está
ligado ao semicondutor P  conduz
Quando directamente polarizada a
junção PN conduz
A junção PN está inversamente polarizada quando o
potencial negativo da alimentação está ligado ao
semicondutor P e o potencial positivo da alimentação está
ligado ao semicondutor N  não conduz
Quando inversamente polarizada a junção
PN não conduz.
71
Diodos (junção pn)
Transistores
Um transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas junções PN
(junção base-emissor e junção base-colector) de material semicondutor (silício ou germânio)
e por três terminais designados por Emissor (E), Base (B) e Colector (C).
Transistores – modos de funcionamento
São possíveis três zonas de funcionamento distintas:
Transistor como Comutador
1) Corte
semelhante a um interruptor aberto
2) Saturação(condução)
semelhante a um interruptor fechado
Transistores – modos de funcionamento
3)Transistor como Amplificador (activo)
Um transístor funciona como amplificador, quando a corrente de base oscila entre zero
e um valor máximo; neste caso, a corrente de colector é um múltiplo da corrente de base.
Se aplicarmos um sinal na base do transistor, vamos obter uma corrente mais elevada no
colector, a qual é proporcional ao sinal aplicado na base:
IC = K * Ib , K = factor de amplificação
Fabricação de CI’s (semicondutores)
O processo de fabricação de semicondutores pode ser resumido nos seguintes passos:
Projeto do chip: projecto de como o chip irá funcionar. Desta etapa resultam várias
máscaras que são uma espécie de planta de como o chip deve ser fabricado;
Fabricação do wafer: principal processo de fabricação de um chip;
Preparação do núcleo: este passo consiste basicamente em cortar os chips do wafer;
Encapsulamento: neste passo os terminais e o invólucro são adicionados ao chip;
Testes: os chips são testados e depois vendidos;
http://www.clubedohardware.com.br/artigos/Como-Chips-sao-Fabricados/1131/1
Wafer
Wafer: principal elemento usado na fabricação dos chips. O wafer “virgem” é feito de
silício extremamente puro (99,9999%), que é extraído da areia da praia (!);
O wafer é criado através de um método chamado Czochralski, onde um pedaço de cristal de
silício é colocado em uma vareta e então mergulhado em silício derretido. A vareta é suspensa
e girada ao mesmo tempo, formando um grande cilindro de cristal de silício (lingote);
O lingote resultante deste processo mede de um a dois metros de comprimento e pode ter
até 300 mm de diâmetro;
O lingote é então “fatiado” em wafers que são depois polidos e enviados para a fabricação
do chip. Em cima deste wafer “virgem” é que os chips serão fabricados.
Fotolitografia
Os chips são fabricados no wafer através de um processo chamado fotolitografia.
Neste processo, usam-se produtos químicos que quando expostos à luz ultravioleta podem-se
tornar “moles” ou “duros”.
Este processo consiste basicamente em bloquear a luz ultravioleta dos produtos químicos no
wafer usando uma máscara, removendo as partes “moles”, e então repetindo o processo
novamente com uma outra máscara, até a fabricação do chip ser finalizada.
Cada máscara possui um padrão diferente e cada padrão determina como os transistores e
fios dentro do chip serão fabricados. O número de máscaras usadas varia dependendo do
projeto. Um processador Pentium 4, por exemplo, usa 26 máscaras.
Produção dos CI’s
Os chips no wafer são então testados e o wafer é enviado para o próximo passo no processo
de fabricação, onde os chips são cortados, recebem os terminais e são encapsulados.
Após isso, eles são testados, rotulados e vendidos.
Circuitos integrados
LEI DE MOORE
O número de transistores num
circuito integrado (CI) duplica a
cada 2 anos
Vídeos exemplificativos
1) Areia do Silício - A fabricação de um Chip Intel (2’11”)
http://www.youtube.com/watch?v=rq81-pJBeUk&feature=related
•
•
•
•
•
•
•
areia da praia
fundir
gerar cristal
cortar(wafer)+polir
litografia
cortar(chips)
encapsular e empacotar
2) fabricación de un microchip – MEMC (7’53”)
http://www.youtube.com/watch?v=NvwG-rim4ug&feature=related
Circuitos Impressos (PCB-Print Circuit Board)
•
Funções essenciais:
– Suporte mecânico dos componentes
• Propriedades do substrato
– Ligações eléctricas dos circuitos
• Pistas (cobre)
• Ilhas (soldagem)
• Vias (Ligação entre faces opostas)
•
Funções secundárias:
– Dissipação de calor
– Blindagem electrostática
– Elementos de circuito
• Bobines
• Microlinhas
• Contactos
– Identificação de componentes
• Serigrafia
Processos de fabricação
•
Subtractivo:
– Corrosão selectiva de um substrato previamente metalizado
•
Aditivo:
– Deposição selectiva de material condutor no substrato
•
Furo metalizado:
– Interligação (aditiva) entre 2 ou mais camadas condutoras
Substratos
•
Fenolite = Papel prensado, impregnado com resina fenólica
– Vantagens: baixo custo, facilidade de fabricação
– Desvantagens:
• Baixa resistência mecânica, térmica e à humidade
• Dilatação durante o processamento, propriedades dielétricas inferiores
•
Fibra de Vidro/Teflon (Duroid®) = Manta de fibra de vidro trançada,
impregnada com PTFE (Teflon® )
– Vantagens: propriedades dielétricas excelentes em alta freqüência
– Desvantagens: custo elevado, baixa aderência ao cobre dificulta soldagem
•
Poliimida (Kapton ®) = Utilizado para circuitos impressos flexíveis
– Vantagens: boa resistência térmica, boas propriedades dielétricas
– Desvantagens: custo mais elevado
Fabricação: processo fotográfico
U.V.
FOTOLITO (DIAZO)
Exposição
“PHOTO-RESIST”
COBRE
SUBSTRATO
Após revelação
COBRE
Após corrosão
com ácido
Dupla face (furo metalizado)
vias
ilhas
pistas
Circuito Impresso 4 Camadas
COBRE
Preparação
para laminação
SUBSTRATO
SEMIPOLIMERIZADO
COBRE
87
Circuito Impresso 4 Camadas
Após laminação
Típico
1,6 mm
Após processamento
das faces externas
(mesmo processo
que dupla face)
88
Circuito Impresso 4 Camadas
Plano de terra(2)
Face superior(1)
Plano de alimentação(3)
Face inferior(4)
Serigrafia dos componentes
Serigrafia superior
Serigrafia inferior
90
Tecnologias de montagem dos componentes
Tecnologia “through hole” (THT) - componentes
aplicados através da furação da placa
SMT (surface mount technology)- tem por objetivo
principal a redução nos custos de fabricação; usa
componentes SMD (surface mount device), muito
mais pequenos e baratos, soldados do lado dos
componentes
http://www.timiaudio.com.br/fmt/smd.htm
Vídeos exemplificativos
Circuit board assembly at SMA's German factory (8’22”)
http://www.youtube.com/watch?v=2qk5vxWY46A&feature=related
Complete PCB Cycle Design to Production (3’34”)
http://www.youtube.com/watch?v=bgBjub85TT4&feature=related
-----------------------------
PCB Production Manufacturing Tour (38’01”)
http://www.youtube.com/watch?v=naXcRXo0tdU&feature=related
GIGABYTE (10’33”)
http://www.youtube.com/watch?v=Va3Bfjn4inA&feature=related
Fabricação caseira
http://www.youtube.com/watch?v=T-KYZ3nsQi8&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=heuMethf7C8
Estrutura física do PC
(1) Placa-mãe (motherboard)
(2) Placa gráfica
(3) Processador
Portas
de
In/Out
(4) Disco rígido
(5) Drive de disquetes de 3½
(6) Drive de CD-ROM
(7) Fonte de Alimentação
8
Bus de
Expansão
(8) Caixa
Conjunto de componentes do PC
Componentes internos do PC
Caixa : tipos
Desktop
•Usada na horizontal, ocupam pouco espaço, podendo ser colocado sob o monitor.
•Desvantagem: normalmente possuem pouco espaço para a colocação de novas
placas e periféricos, além de dificuldades de manutenção
Mini-torre
•Usado na posição vertical, sendo o modelo mais usado;
•Uma das desvantagens é o espaço ocupado, a outra é que pode ter pouco espaço para
colocar outras placas e periféricos;
•Utiliza fonte de alimentação padrão ATX.
Torre
•Mesmas características do mini-torre, mas com maior altura;
•Muito usado em servidores de rede e com placas que requerem melhor refrigeração.
•Utiliza fonte de alimentação padrão ATX.
Componentes do PC - Caixa
A caixa (ou chassis) é aonde são colocados os diferentes componentes do PC
Funções principais:
1) Conter e manter juntos e organizados os componentes do PC, protegendo-os contra acções
mecânicas, pó, lixo, derrame de líquidos, etc;
2) Através da fonte de alimentação, fornecer a alimentação eléctrica aos circuitos, isolando-os
do exterior de modo a evitar choques e/ou curto-circuitos;
3) Isolar os componentes internos, evitando interferências electromagnéticas de/para o exterior;
4) Proporcionar isolamento acústico, como sejam ruídos dos discos rígidos, ventoínhas.
Os elementos de escolha principais de uma caixa são:
• Forma – padrão actual ATX (Advanced Technology Extended )
• Dimensões – tem de albergar todos os componentes actuais e previstos
• Espaço para dispositivos externos: leitores de DVD, etc
• A fonte de alimentação – em função dos dispositivos a instalar
• Tipo de conectores – em função dos dispositivos a instalar
• Design e cores – actualmente permitem fazer modding
Caixa : características
Conteúdo:
•Fonte de alimentação
•Suportes para a motherboard, discos, etc
Painel traseiro - ligações diversas (conectores) : energia, monitor, portas,
indicadores de estado (LED), etc
Painel frontal – baías para dispositivos externos (DVDs, botão de ligar/desligar,
indicadores de estado (LED), portas USB, ligações da placa de aúdio.
Acesso: por parafusos ou com encaixes fáceis de remover
Materiais de construção: metal e plástico
Fonte Alimentação
Responsável pelo fornecimento de energia eléctrica aos componentes do PC
Funções:
1) Converter a corrente eléctrica de alternada (AC-Alternate Current) para corrente
contínua (DC-Direct Current)
2) Baixar a tensão da rede de 230V(perigosa) para valores de:
+3,3 volts – processador
+5 volts - motherboard, placas de expansão
+12 volts - alimentação dos discos, ventoínhas
-5 volts , -12 volts - auxiliares (em desuso)
3) Efectuar a protecção mecânica dos componentes
4) Efectuar a protecção eléctrica e electromagnética – protecção contra curto-circuitos e
isolamento electromagnético
5) Apoio à refrigeração da caixa – remoção do ar quente
Refrigeração - remoção do ar quente
•A Tª é um grande inimigo dos componentes electrónicos
•A passagem da corrente através dos diversos circuitos produz calor (efeito de Joule)
•A partir de certos valores de Tª os componentes electrónicos passam a funcionar mal podendo
avariar definitivamente
•Para evitar falhas o calor tem de ser removido do interior da caixa
Fonte Alimentação : conectores (ATX)
ATX12V: Conector principal de 20 pinos, além de um conector
secundário de 4 pinos e um conector terciário de 8 pinos, utilizado por
processadores Pentium 4, Athlon MP e Athlon 64.
ATX12V 2.0: Conector principal de 24 pinos, além de um conector
secundário de 4 pinos, utilizado por processadores Pentium 4 e Athlon 64
Fonte Alimentação
Um dos parâmetros mais importantes da FA é a potência que pode fornecer
Potência [W-Watt] = U * I , U = tensão [V-Volt] , I = corrente [A-Ampére]
Potência total = soma das potências de cada uma das tensões fornecidas
Um PC moderno consome cerca de 300W, em carga.
Se a fonte tiver potência insuficiente poderá não conseguir alimentar todos os
componentes do PC
Se a fonte tiver potência a mais isso não fará mal, ficando a potência não utilizada
como reserva para expansão futura
FA : consumos típicos de potência
ÍTEM
CONSUMO
Processadores de topo (como Pentium 4 HT e Athlon 64)
Processadores económicos (como Celeron e Duron)
60 W – 110 W
30 W – 80 W
Motherboard
20 W – 100 W
HDs e drives de CD e DVD
Placa de vídeo sem instruções em 3D
Placa de vídeo com instruções em 3D
25 W – 35 W
15 W – 25 W
35 W – 110 W
Módulos de memória
2W – 10 W
Placas de expansão (placa de rede, placa de som, etc)
5 W – 10 W
Cooler
5 W – 10 W
Teclado e mouse
1 W – 15 W
Total: 100W – 400W
FA : Tecnologias
Lineares
• Tecnicamente simples
• Baseada na utilização de transformadores, rectificadores e condensadores
• Pouco eficientes : geram calor
• Originam fontes muito volumosas para grandes potências
Comutadas
• Tecnicamente mais complexas
• Baseada na utilização de frequências maiores que a da rede de energia
• Muito eficientes
• Dimensões mais reduzidas
FA : Tipo linear
FA : Tipo comutada
A - rectificador em ponte
B - condensadores de filtro de entrada
C - transformador
D - bobines de filtro de saída
E - condensadores de filtro de saída
UPS : Uninterruptible Power Supply
controlo
saídas
220V/50Hz
entrada
220V/50Hz
• Fornecem energia quando a fonte principal (rede) falha
• Protegem contra transitórios (ruído eléctrico)
• Permitem suportar pequenas falhas ou dar tempo a fazer o shutdown
UPS : Princípio de Funcionamento
UPS
rede eléctrica
AC-230V/50Hz
Carregador
(conversor
AC/DC)
Comutador
Bateria
Ondulador
(conversor
DC/AC)
alimentação
ininterrupta
AC-230V/50Hz
• Carregador: trata-se de um conversor AC/DC encarregue de carregar a bateria
• Bateria: armazena energia a ser utilizada em caso de falha da rede
• Ondulador/inversor: trata-se de um conversor DC/AC que converte a energia da bateria (DC),
em energia para o circuito (AC)
• Comutador: detecta a falta de energia da rede, ligando o ondulador para o circuito a alimentar
UPS : Tipos Principais
Offline
•A UPS vigia a entrada da corrente e se detectar uma falha, liga o ondulador/inversor que alimenta
a carga através da bateria.
•Não protege contra picos de corrente.
•Leva algum tempo (milissegundos) para a bateria ser ligada, o que pode ser o suficiente para
afectar um PC.
UPS : Tipos Principais
Online
• Converte continuamente a corrente da entrada (AC)
em DC para carregar a bateria;
• Através do ondulador(inversor), gera a corrente de
saída para alimentar o circuito;
• Elimina ruídos e picos;
• Em caso de falha da rede, a carga (PC) não é afectada
porque não há qualquer interrupção;
• A tecnologia de UPS online é mais cara;
Motherboard
componentes principais
Forma (factor de forma): dimensões e modo
particular como os componentes são
posicionados na motherboard
– padrão actual: ATX (Advanced Technology
Extended )
Motherboard: chipset
Nos primeiros PCs, vários chips (controlador do teclado, discos, portas) estavam espalhados pela
motherboard, o que além de a encarecer, dificultava a comunicação entre eles. Actualmente estão
reunidos em chips mais complexos, mas mais baratos, mais fáceis de colocar e mais rápidos.
O chipset é um dos principais componentes principais de
uma placa-mãe, dividindo-se em:
• Northbridge ("ponte norte“): controlador de memória de
alta velocidade - faz a comunicação do processador com a
memória e com os barramentos de alta velocidade AGP e
PCI Express
• Southbridge ("ponte sul“): controlador de periféricos de
baixa velocidade - controla os discos (IDE e SATA),
portas série, USB e paralela, barramento PCI, teclado,
BIOS, etc
Motherboard: chipset
Chipset: ponte norte (Northbridge)
Chipset: ponte sul (Southbridge)
Interliga o CPU, a memória e os dispositivos de input/output (“glue logic”), definindo
entre outras coisas:
• o tipo de processador
• o tipo e a quantidade de memória que pode ser usada (SDRAM, DDR-SDRAM, etc)
• a freqüência máxima da memória e do processador
• o tipo de discos rígidos
• dispositivos internos e externos suportados
Fabricantes: Intel, VIA, AMD, SiS, Ali, NVidia
Sockets (suportes de processadores)
Socket 478 (478 pinos)
PGA-ZIF (Pin Grid Array
Zero Insert Force)
Socket P (478 pinos)
Socket LGA 775 (socket T)
Land Grid Array
Processadores: Pentium 4, Celeron
Processadores: Core 2 Duo,
Notebook, Dual Core
Devido ao crescente número de pinos do CPU, este deixou de ter pinos mas sim contactos que
encostam nos pinos do suporte, evitando que os pinos do CPU possam entortar, mas podendo
entortar os do suporte. (segundo a Intel apenas 20 operações de inserção/retirada podem ser
feitos sem que o soquete estrague, pois os pinos são muito frágeis)
BIOS(Basic Input/Output System) & CMOS-RAM
O BIOS é um programa de computador guardado em uma memória não-volátil
(do tipo Flash ROM nas motherboards mais recentes)
É do tipo firmware pois é um tipo de programa fixo.
É responsável pelo suporte básico de acesso ao hardware (rotinas de acesso aos
dispositivos), bem como pela inicialização do SO – quando o computador é ligado
o CPU obtém da BIOS as instruções iniciais necessárias para carregar o SO
Quando o computador é ligado, o BIOS opera na seguinte sequência:
1) Lê o conteúdo de uma pequena RAM que se localiza em um chip fabricado
com tecnologia CMOS (CMOS-RAM, alimentado por uma pilha). Esta armazena
informações relativas à configuração de hardware, que podem ser alteradas pelo
utilizador de acordo com o sistema.
2) POST (Power-On Self-Test ou Autoteste de Arranque) - diagnósticos e testes
realizados nos componentes físicos (disco rígido, processador, etc). Eventuais problemas são comunicados
ao utilizador por uma combinação de sons (bips) e são mostradas mensagens correspondentes no ecran.
3) Leitura dos dispositivos de armazenamento, cujos detalhes e ordem de inicialização estão na CMOS.
4) Definir quais os recursos utilizados pelos dispositivos Plug and Play (PnP).
5) Definir o suporte gráfico de arranque.
6) Se houver um sistema operativo instalado, transfere o controlo para esse SO.
Motherboard: chipset & BIOS
Barramentos
• Um barramento (Bus) é um conjunto de linhas (fios eléctricos) partilhado por vários dispositivos
[ estradas(fios) por onde passam carros(bits) ]
• Num computador existem vários tipos de barramentos:
– Barramento interno ao processador
– Barramento local
– Barramento de sistema
• Cada barramento obedece a um conjunto de regras (Bus Protocol) e é caracterizado por um
conjunto de especificações eléctricas e mecânicas
Internos
Local
Sistema
Barramentos
Noção de Master e Slave
–
Master : dispositivo que requisita o barramento tomando a iniciativa numa transferência de dados
–
Slave : dispositivo que serve o pedido
–
A maioria dos dispositivos tanto pode ser master como slave, excepto a memória que é sempre slave
–
Exemplos:
• O CPU(master) pede ao controlador de disco(slave) para ler um bloco em disco
• O controlador de disco(master) pede à memória(slave) para aceitar os dados que foram lidos do disco
Desempenho
1) depende do clock (relógio)
2) largura de banda (quantidade de bits que podem ser transmitidos em simultâneo),
geralmente potências de 2: 8, 16, 32, 64 bits
3) velocidade da transmissão medida em bps (bits por segundo): 100 Kbps, 100 Mbps, 1 Gbps
Funções
1) Transferência de Dados: função de transporte dos dados : bidireccional
2) Comunicação de Endereços: função de indicar endereços de memória dos dados que o processador
precisa de ler ou escrever: unidireccional
3) Acções de Controlo: função que controla as acções dos barramentos anteriores. Controla solicitações
e confirmações: bidireccional.
Barramentos
Tipos
•
Interno: usado pelos componentes internos do processador (registos, ALU, etc)
•
Memória: barramento responsável pela ligação processador-memória; é um barramento de alta velocidade
(actualmente gira à volta de 133 MHz a 2000 MHz (DDR3))
•
Entrada e Saída (I/O ou E/S, expansão): responsável pela comunicação entre a motherboard e as diversas
interfaces e periféricos (placas som/gráfica/rede, rato, teclado) pois estes não se conectam diretamente ao
barramento de sistema:
• há uma grande variedade de periféricos com vários métodos de operação sendo inviável incorporar
diversas lógicas de controle dentro do processador.
• a taxa de transferência de dados dos periféricos é normalmente mais baixa do que a da memória do
processador sendo inviável usar o barramento de alta-velocidade para comunicação com periféricos.
• os periféricos usam normalmente formatos de dados e tamanhos de palavras diferentes dos do
computador a que estão ligados.
Exemplos: ISA, AGP, PCI, USB, etc.
Barramentos
Barramento de Dados: responsável pelo transporte da informação (instruções, dados). O seu tamanho
determina o número máximo de instruções (e portanto o potencial de processamento), a precisão do
processamento aritmético e o número de símbolos possíveis de serem representados (ex: pontos de uma foto)
O tamanho do barramento de dados está ligado à capacidade de processamento do sistema:
• Se o processamento é simples 8 bits são suficientes.
• Por outro lado, se há a necessidade de um processamento complexo (como os sistema de multimídia onde
há a necessidade de processarmos milhões de pontos de imagem) podem usar-se até 128 bits
Exs:
1) O processador 8085 possui 8 bits no barramento → máximo de 256 instruções e variáveis numéricas
entre -128 a +127 (ou 0 a 255).
2) O processador Pentium IV possui 32 bits no barramento → variáveis numéricas entre - 2147483648 e
+ 2147483647.
Tipos de Barramento
• ISA: IBM PC (1981) 8-bits; IBM-AT (1984) 16-bits
– deixou de ser usado em meados dos anos 90, com o surgimento do PCI
– usado em dispositivos lentos e que não necessitam de transferir
grandes quantidades de informação
– chegou a dispor de capacidades PnP, mas com problemas
•
PCI: Intel (1990) – substitui o(s) anteriore(s)
– mais rápido que os anteriores
– tipo “plug’n’play”
– Variantes: PCI X e PCI Express
• AGP: (Accelerated Graphics Port (Intel)
– comunicação com o vídeo: maior transferência entre motherboad e
placas de vídeo
– começa a deixar de ser usado devido ao aumento de desempenho
do PCI-Express
Estrutura de um PC actual
FSB800/1066, 64 bits
6.4/8.5 GB/s
P4 3.2 GHz
núcleo
DDR2
SDRAM
L1cache
3.2 GHz, 256 bits (102.4 GB/s)
North
Bridge
Placa gráfica
PCI Express x16
4 GB/s (cada direcção)
60 MB/s
USB
PCI64 slots
South
Bridge
528 MB/s
IDE Bus
Mouse
Kbd
PCI Express x1 BUS
33 MB/s (ATA 33)
100 MB/s (ATA 100)
Portas e conectores
Memória : Tipos
Internas: construídas em torno de circuitos integrados
Externas: construídas em torno de sistemas magnéticos ou ópticos (discos, DVDs)
Memória Interna
Memórias internas → dois grandes grupos : RAMs e ROMs
RAM (Random-Access Memory)
• O nome é pouco correcto  significa que o tempo de acesso é igual para cada posição de memória
• Podem ser lidas e escritas um elevado número de vezes
• Voláteis – a informação perde-se quando se deixa de fornecer energia eléctrica
ROM(Read Only Memory)
• Também é RAM pois o tempo de acesso é igual para cada posição de memória
• Podem ser programadas (uma ou mais vezes) e normalmente são usadas apenas para leitura
• Existem variantes que podem ser usadas para leitura/escrita
• Não-voláteis – a informação continua armazenada quando se deixa de fornecer energia eléctrica
• Usadas na BIOS e para guardar configurações do utilizador
ROM & RAM
ROM
Janela para
desprogramar
RAM
Contactos
eléctricos
SO-DIMM – usadas em portáteis
(small outline dual in-line memory module)
Memória RAM : SRAM
SRAM (Static RAM)
•
•
•
•
Baseada em células de memória do tipo flip-flop
Rápidas – tempos de acesso baixos para leitura e para escrita
Caras
Utilizadas tipicamente como memórias cache (associadas ao processador)
Célula de memória
Din
D
R/W
C
Q
Dout
S
Din – bit de entrada
R/W – sinal de Read/Write (0=read , 1=write)
S – Strobe (habilita/desabilita a acção de read/write)
Dout – bit de saída
Memória RAM : DRAM
Dinâmicas – DRAM (Dynamic RAM)
•
Células de memória:
– Pares transistor-condensador, que conseguem manter o nível lógico armazenado
durante curtos espaços de tempo
– Necessitam de ciclos de refrescamento periódicos para reposição dos níveis lógicos
nos condensadores  mais lentas que as SRAMs
•
Maior capacidade de armazenamento a menor custo
•
Utilizadas como memória principal de um computador
B
Transistor
Valor a escrever/ler
S
Selecção da célula
Condensador
Célula de memória
RAM : arquitectura
Organização e capacidade de uma RAM (SRAM/DRAM)
– palavra = m bits
– n linhas de endereço
– Capacidade = 2n endereços ou palavras de m bits (2n X m)
controlo
p=2n
Memória
Unidades de medida
bit = 0,1 = 20
byte = 8 bits = 23 (0 -7) {000 – 111}
KB (Kilobyte) = 1024 bytes = 210 (0 – 3FFh) {0 – 11 1111 1111}
32Kb = 32768 bytes = 215 (0 – 7FFFh)
64Kb = 65536 bytes = 216 (0 – FFFFh)
256Kb = 262144 bytes = 218 (0 – 3FFFFh)
MB (Megabyte) = 1024 KB = 220 (0 – FFFFFh)
GB (Gygabyte) = 1024 MB = 230 (0 – 3FFFFFFFh)
4GB = 4086 MB = 232 (0-FFFFFFFFh) – Pentium 4
SDR-SDRAM (Single Data Rate - Synchronous DRAM)
As antigas memórias FPM (Fast-Page Mode) e EDO (Extended Data Output) trabalham de forma
assíncrona com o processador (obriga a constante troca de sinais com o processador atrasando o processo)
Processadores cada vez mais rápidos → grande tempo de espera para ter acesso aos dados da memória.
SDR SDRAM → trabalham de forma sincronizada com o processador, evitando os problemas de atraso.
A frequência com a qual a memória trabalha serve como medida de velocidade.
Memórias SDR SDRAM → trabalham a 66 MHz, 100 MHz e 133 MHz (designadas por PC66, PC100 e
PC133 respectivamente)
Taxa de Transferência Máxima Teórica = Clock x 8.
Ex: PC133, f=133MHz → 133*8 = 1064MB/s
Módulo DIMM (Double In-Line Memory Module) : terminais de contactos em ambos os lados do módulo
168 pinos / 64 bits
DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM)
DDR SDRAM : transferem dois dados por impulso de clock → conseguem obter o dobro do desempenho
das SDR-SDRAM para o mesmo clock
Ex: DDR a 100 MHz → equivale a uma SDR a trabalhar a 200 MHz.
O clock real das memórias DDR é metade do
clock rotulado (indicado no módulo)
Ex: DDR400 → clock é de 200 MHz e não 400 MHz
Taxa de Transferência Máxima Teórica = Clock x 8
Ex: DDR400, f=200MHz → 200*8*2 = 3200MB/s
DDR – 2.5V
Módulo DIMM (Double In-Line Memory Module) : 184 pinos / 64 bits
DDR2 & DDR3
DDR2 SDRAM: evolução das memórias DDR
executam quatro operações por ciclo de clock
Trabalham a 1.8V
DDR3 SDRAM: evolução das memórias DDR2
executam oito operações por ciclo
Trabalha com voltagem de 1.5 V
Consomem cerca de 30% menos energia que as DDR2
Hiato Processador-Memória
•
O desempenho dos micro-processadores tem vindo a aumentar a uma taxa de
cerca de 60% / ano (desde 1986).
•
O desempenho das memórias tem vindo a aumentar a uma taxa de perto de
10% / ano (diminuição do tempo de acesso)
CPU: fCPU = 1.0 .. 3.0 GHz => Tcc = 1.0 .. 0.33 ns
DRAM: tempo de acesso ronda os 5 .. 60 ns
The STREAM benchmark
http://www.cs.virginia.edu/stream/ref.html
Hierarquia de Memória
Como manter o processador alimentado com dados e instruções?
Técnica: dotar a máquina de vários níveis de memória, com diferentes propriedades
Cada nível contêm uma cópia do código e dados mais usados em cada instante.
CPU
registos
(SRAM)
Distância CPU
Capacidade
Cache
SRAM
Memória Central
DRAM
Velocidade
Preço
SRAM – Static RAM
Extremamente rápida e cara
DRAM – Dynamic RAM
Mais lenta e barata
Discos – magnéticos, ópticos
Lentos, baratos (por bit)
Discos
Memórias ROM
•
ROM - Read-Only Memory
– Programadas pelo fabricante mediante especificação fornecida pelo utilizador
– Conteúdo inalterável – só permite leitura da informação armazenada
– Utilizações:
• Guardar informação necessária ao arranque de sistemas
• Tabelas de conversão de códigos (e.g. binário natural -> BCD)
• Tabelas de operações aritméticas (e.g. logaritmos, divisões)
k linhas de endereço
Sinais de controlo
2k x n
ROM
ROM de 2K palavras de n bits
n linhas de dados de saída
Memórias ROM
•
PROM - Programmable Read-Only Memory
– Permitem uma única programação – o utilizador especifica o conteúdo da ROM
– A programação é geralmente feita através de rebentamento de fusíveis nas ligações
entre as linhas de endereços descodificados e as linhas de saída
• Uma vez rebentados os fusíveis, as ligações são quebradas permanentemente
•
EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory
–
–
–
–
–
Permitem múltiplas programações
A reprogramação é feita através de impulsos eléctricos
Apagamento : submete-se a EPROM a radiação ultra-violeta.
Custo mais elevado que uma ROM, mas maior flexibilidade
Pouco usadas, uma vez que actualmente há alternativas melhores
Memórias ROM
•
EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
– Idênticas à EPROM, mas o apagamento é através de impulsos eléctricos
– Flexíveis : reúnem as funcionalidade de uma RAM e uma ROM simultaneamente
– Comparando com uma RAM:
• Operações de escrita muito mais lentas (devido às operações de apagar e
reprogramar)
• As operações de leitura podem ser da mesma ordem de grandeza da escrita
•
FLASH EEPROM
– Variantes das EEPROM, habitualmente utilizadas em electrónica de consumo
• Exemplos: cartões de memória e pen-disks
– Incluem toda a lógica necessária para reprogramação, sendo muito mais rápida do
que numa EEPROM convencional
• Operações de escrita continuam a ser muito mais lentas do que as de leitura
– O tempo de vida dos dados armazenados é superior a 10 anos, e pode ser
reprogramada milhões de vezes - suficiente para as aplicações a que se destinam
Tipos de RAM e ROM (resumo)
RAM
•SRAM - estática (baseada em FFs)
•DRAM (Dynamic RAM) – dinâmica (baseada em condensadores)
•SDRAM (Synchronous DRAM) : síncronas com o relógio de sistema
•DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM)
– Reagem a ambos os flancos do sinal de relógio
– Muito utilizadas em PCs : evolução - DDR (2000) DDR-2 (2003) DDR-3 (2007)
ROM
•ROM – programadas de fábrica não podem ser reprogramadas
•PROM(Programable ROM) – devido ao seu modo de fabrico apenas pode ser programada
uma única vez
•EPROM(Erasable and Programable ROM) – podem ser apagadas e reprogramadas as vez
que forem necessárias (apagamento → luz ultra-violeta).
•EEPROM(Electrical EPROM) – memórias que podem ser reprogramadas electronicamente
Memória Externa
Dois grandes grupos:
• discos magnéticos: baseados na utilização do magnetismo
• discos ópticos: baseados na utilização da luz
Discos Magnéticos
- Baseiam-se nas propriedades magnéticas de determinados materiais
- Flexíveis: fitas e discos (disketes)  em desuso
- Rígidos (HD - Hard Disk)  dispositivo de armazenamento mais usado nos computadores.
Permitem armazenar ficheiros de programas e de dados.
O primeiro disco rígido construído pela IBM em 1957,
designado por 305 RAMAC, era formado por 50 discos de 24
polegadas de diâmetro, com uma capacidade total de 5MB.
Em 1973 a IBM lançou o modelo 3340 "Winchester", com
dois pratos de 30 megabytes e tempo de acesso de 30
milissegundos.
Dispositivos magnéticos
Discos Magnéticos
Dentro do disco rígido, os dados são gravados em discos magnéticos de dupla face, chamados pratos
(platters). O nome "disco rígido" vem do facto de os discos internos serem extremamente rígidos.
Para ler e gravar dados no disco, são usadas cabeças de leitura eletromagnéticas (heads) que são presas a um
braço móvel (arm), o que permite seu acesso a todo o disco. O braço de leitura é uma peça triangular, feita
de liga de alumínio, para que seja ao mesmo tempo leve e resistente.
Cada disco utiliza duas cabeças leitura/escrita, uma para cada face.
O mecanismo que movimenta o braço de leitura é chamado actuador (actuator).
Discos Magnéticos
Num Hard Disk um sector é uma das zonas em
forma de “pie” em que se divide o disco.
Esta divisão é uma forma de organização.
Um “hard disk” está igualmente dividido por
circulos concêntricos, designados por pistas
(track).
A informação pode ser encontrada sempre que
se souber o sector e a respectiva track.
Discos Magnéticos
A cabeça de leitura /gravação paira alguns
milionésimos de polegada acima da lâmina.
– Se a cabeça tocar a lâmina, haverá um
crash, e dados serão destruídos.
– Dados podem ser destruídos se a cabeça
entrar em contato com uma mínima matéria
estranha na superfície do disco.
Braço de leitura de um HD
As duas cabeças de leitura pressionam-se
mutuamente, mas quando os discos giram em alta
rotação, forma-se uma espécie de colchão de ar (efeito
de asa de avião), que afasta as cabeças, fazendo com
que elas não toquem nos discos.
Cabeça de leitura "flutuando" sobre o disco
em movimento
Discos Magnéticos
Motor de rotação: os discos magnéticos são montados
directamente sobre o eixo do motor de rotação, sem o
uso de correias ou qualquer outro mecanismo.
É justamente este design simples que permite que os
discos girem a uma velocidade tão grande.
Os HD são montados e selados num
ambiente livre de partículas (salas limpas)
Apesar disso, eles não são hermeticamente
fechados, existindo um pequeno orifício para
entrada de ar que permite que pequenos
volumes de ar entrem e saiam, mantendo a
pressão interna do HD sempre igual à do
ambiente.
Esse orifício é sempre protegido por um
filtro,que impede a entrada de partículas de
poeira.
Discos Magnéticos
Placa controladora: faz a interface com a motherboard, controla
a rotação do motor e o movimento das cabeças de leitura, de
forma que elas leiam e/ou escrevam os sectores correctos.
Discos Magnéticos: interfaces
Os HDs são conectados ao computador por meio de interfaces capazes de transmitir os dados
entre um e outro de maneira segura e eficiente.
Há várias tecnologias para isso, sendo as mais comuns os padrões IDE, SCSI e, mais
recentemente, SATA.
IDE
A interface IDE (Intelligent Drive Electronics ou Integrated Drive Electronics) também é conhecida
como ATA (Advanced Technology Attachment) ou, ainda, PATA (Parallel Advanced Technology
Attachment). Trata-se de um padrão que chegou ao mercado na época dos processadores 386
Conector e cabo IDE
Discos Magnéticos: interfaces
SCSI
SCSI (Small Computer System Interface): trata-se de uma tecnologia criada para acelerar
a taxa de transferência de dados entre dispositivos de um computador, desde que tais
periféricos sejam compatíveis com a tecnologia.
Mais cara que a tecnologia IDE/ATA
Conectores SCSI externos
Disco rígido com tecnologia SCSI
Cabo SCSI
Discos Magnéticos: interfaces
SATA - Serial ATA
Diferentemente dos discos rígidos IDE, que
transmitem os dados através de cabos de
quarenta ou oitenta fios paralelos, o que resulta
num cabo enorme, os discos rígidos SATA
transferem os dados em série.
Os cabos Serial ATA são formados por dois
pares de fios (um par para transmissão e outro
par para recepção) usando transmissão
diferencial, e mais três fios terra, totalizando 7
fios, o que permite usar cabos com menor
diâmetro que não interferem na ventilação do
gabinete.
Dispositivos ópticos
Monitores
TRC
fonte de luz
LCD
PDP (Plasma Display Panel)
LED (1)
Junção P-N
a energia é emitida na forma de
um fotão luminoso;
o tamanho da queda determina
o nível de energia e a cor
Não condutora
• lacunas – nível de energia baixo
• electrões – nível de energia mais alto
quando electrão “cai” no buraco,
liberta energia
Condutora
electrões movem-se num
sentido, lacunas no outro
LED (2)
+
-
OLED - Organic Light-Emitting Diode
• tecnologia criada pela Kodak em 1980
• compostos por moléculas de carbono (!) que emitem luz ao receberem uma carga elétrica
• ao contrário dos diodos tradicionais, as moléculas podem ser diretamente aplicadas sobre a
superfície da tela, usando um método de impressão (tipo impressora ink-jet); depois basta acrescentar
os filamentos metálicos que conduzem os impulsos eléctricos a cada célula
• o cátodo (carregado negativamente) envia electrões para a camada emissiva, enquanto o ânodo absorve
electrões da camada condutiva, deixando lacunas carregadas positivamente
• este processo cria uma camada emissiva carregada negativamente e uma camada condutiva carregada
positivamente.
• As duas camadas recombinam-se num processo que gera luz (semelhante aos LED)
AMOLED : Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode
•
•
•
•
•
•
•
•
Baseados em OLED
Ligar/desligar pixel cerca de 3x mais rápido que LCD
Maior luminosidade que LED (150% mais)
Menor tempo de resposta (menor arrastamento)
Maior ângulo de visão
Melhor definição de cor (ex: negro mais negro)
Menor espessura do display
Ecrans flexíveis e transparentes
Projectores
LCD (LCoS-Liquid Crystal on Silicon)
LCD
DLP – Digital Light Processing
Digital Micromirror Device (DMD) - Texas Instruments(1987)
• 2 milhões de espelhos microscópicos!
• cada espelho mede cerca de 1/5 de um cabelo humano
• o movimento dos espelhos é coordenado com o sinal de vídeo, uma fonte de luz e um
conjunto de lentes de modo que cada um deles reflecte uma imagem digital para o écran
ou para outra direcção, produzindo uma imagem de grande qualidade
http://www.dlp.com/tech/what.aspx
DLP – Digital Light Processing
DLP – Digital Light Processing
1 CHIP DLP PROJECTION SYSTEM
3 CHIP DLP PROJECTION SYSTEM
Curiosidades
Construção de um vídeoprojector caseiro
http://web.tagus.ist.utl.pt/~jose.almeida/projector/index.html
Site muito interessante (explica como funciona quase tudo):
http://www.howstuffworks.com/
http://www.popularmechanics.com/
Como fazer quase tudo:
http://www.instructables.com/
http://blog.makezine.com/archive/diy_projects/
Tecnologias de Impressão
Tecnologias:
impacto
sem impacto
•jacto de tinta
•laser
Tecnologias de Impressão
Impacto (agulhas)
Características
• caracteres formados por pontos bastante próximos
• cada ponto é obtido por uma agulha que pressiona uma
fita impregnada de tinta contra o papel
• as cabeças de impressão têm 9 ou 24 agulhas
Vantagens
• flexíveis e baratas
• etiquetas, rótulos e documentos que necessitem de cópias
• confiáveis e duráveis, pouca manutenção
Inconvenientes
• lentas, barulhentas
• baixa resolução gráfica
• difícil encontrar fitas de impressão e peças
Tecnologias de Impressão
Jacto de tinta
• lançam pequenas gotículas (pontos) de tinta sobre o papel para criar uma imagem
• os pontos são extremamente pequenos (geralmente entre 50 e 60 microns de diâmetro), mais
finos que o diâmetro de um cabelo humano (70 microns)
• os pontos são posicionados de maneira muito precisa, com resoluções de até 1440x720 dpi
os pontos podem ter cores diferentes combinadas para criar imagens com qualidade fotográfica
• são despejadas milhares de gotículas de tinta por segundo, comandados por um programa que
determina quantas gotículas e onde deverão ser lançadas, além da mistura de tintas.
0.02mm
Tipos de impressão
Buble jet ou térmico – HP, Lexmark, Canon
• impressora aquece pequenas quantidades de tinta até cerca de 500 °C
• ao aquecer forma-se uma bolha que força uma pequena gotícula de tinta a sair por um orificio
• o processo leva cerca de 20 milionésimos de segundo por gota.
• o cartucho contém todo o mecanismo tornando-o caro mas com pouca manutenção,
• permite a utilização de todo o cartucho pois está pressurizado, tendo um bom custo/benefício.
Piezo-elétrico – Epson
• emprega um cristal piezo-elétrico que muda de forma com a aplicação de uma corrente eléctrica
• o cristal entorta, gerando pressão suficiente para expelir uma gotícula de tinta
• a gotícula é muito pequena, alcançando resoluções muito altas e cor de grande qualidade
• o mecanismo fica situado na impressora, sendo os cartuchos apenas reservatórios
• pode entupir com facilidade caso não seja usada diariamente.
http://www.dginter.net/cst/2011CST/Chapter07/old/UnitBPrinters/old/dev/HowStuffW
orks/How%20Inkjet%20Printers%20Work.htm
cabeça de impressão e suporte
dos cartuchos de tinta
motor passo-a-passo
(stepper motorr)
Tecnologias de Impressão
Laser
Questão:
- Como pode um raio laser imprimir figuras numa folha de papel?
Resposta:
- usando electricidade estática e a lei da atracção-repulsão
(O)
(1)
fio de corona principal
alta tensão
- 6000V
tambor de alumínio revestido
por um material sensível à luz
(2)
carga de -100V
carga de -600V
(3)
Toner : constituído por partículas de uma resina plástica (aquelas que darão origem à
imagem) e um óxido de ferro (partículas que são afectadas pelas cargas eléctricas)
tambor coberto de toner, carregado a -600V
tambor com imagem
electroestática
-600V (repele
o toner)
-100V (atrai
o toner)
(4)
partículas de toner
são atraídas para o papel
-100V
alta tensão
+600V
folha de papel
carregada a +600V
fio corona de
transferência
(5)
rolos aquecidos a cerca de
200ºC, fundem o toner no papel
partículas de toner
definitivamente
presas ao papel
Cientistas fazem pesquisas para verificar se há o risco dos fumos libertados durante a
impressão ser cancerígena para o organismo humano. Algumas entidades têm tentado travar a
produção destas impressoras até esta dúvida estar esclarecida .
Impressora Laser - componentes
Laser
In a lot of printers, the toner hopper, developer
and drum assembly are combined in one replaceable
cartridge.
Cores
RGB – sistema aditivo (TV, monitores)
CMYK : “Cyan“, “Magenta“, “Yellow” e “Key”(black) - modelo subtractivo pois a tinta
“subtrai” luminosidade do branco incidente
C+M+Y = K (preto, impuro)
K – mais barato, molha menos o papel, permite maior detalhe
CMYK é usado na impressão em cores com tinta, escondendo certas cores quando
impresso em um fundo branco (ou seja, absorvendo ondas de luz particulares).
CMYK combinadas podem reproduzir milhões de cores diferentes, toda a principal gama de
cores do espectro visível, embora não todas as existentes
impressão em CMYK
Jacto de Tinta ↔ Laser
jacto de tinta
- mais baratas
- produção fácil de cor
- tinteiros muito caros, pouca duração
laser
- mais caras
- mais rápidas
- mais precisas
- mais económicas – toner barato e duradouro
Dimensões do Papel
sistema métrico
A0 – 1 m2 de área com lados na razão
de um para raiz quadrada de dois
A1 – divisão em dois do A0, com metade
da área
A2 – divisão do A1 em dois
A3 – divisão do A2 em dois
A4 – divisão do A3 em dois,
quarta divisão do tamanho A0
210 mm larg. * 297 mm comp.
(297=210*√2)
A3→A4  reduzir a 71%
A5 – divisão em dois do A4
A4→A5  reduzir a 71%
Scanners
“ Um scanner é um aparelho de leitura óptica que permite
converter imagens, fotos, ilustrações e textos em papel,
num formato digital que pode ser manipulado em computador.”
Também é possível obter representações de objectos
tridimensionais  scanner 3D
Scanners - Tipos
Mesa: são os mais versáteis e os mais usados. O documento fica
fixo e a cabeça do scanner é que se move.
Página: são parecidos com os de mesa, o documento é que se move
e a cabeça do scanner fica imóvel. É idêntico a uma impressora portátil.
Mão: usam a mesma tecnologia básica do scanner de mesa; a cabeça
do sensor é movida pelo utilizador ao longo do documento.
Geralmente não oferecem uma boa qualidade de imagem,
podendo ser muito úteis para digitalizar texto.
Scanners - Componentes
Componentes de um scanner de mesa:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
sensor do dispositivo de carga acoplado (CCD)
espelhos
cabeça de leitura
lâmpada
lente
filtros
motores (passo )
fonte de alimentação
porta(s) de interface
software e circuitos de controle
Scanners – Sensor de Imagem
CCD [Charge Coupled Device] : constituído por minúsculas células foto-sensíveis
que convertem a luz incidente em cargas eléctricas
Scanners – Mecânica
lâmpada fluorescente de iluminação
cabeça de leitura
Resolução: nº de pontos da imagem que podem ser captados
X
Y
Resolução X → nº de sensores em linha
Resolução Y → precisão do motor
passo a passo (stepper motor)
Resolução, Interpolação e Profundidade de cor
Resolução : exemplo
300 * 300 dpi (1 pol = 25.4 mm)
• sensor com 300 pixel/polegada
A4≈210*297mm → 2480(8.27*300) sensores linha
(8.27*11.69 pol)
• motor com passos de 1/300 polegada
300*300 → texto
600*600 → fotos
Interpolação → aumento da resolução
• o software do scanner adiciona novos pixeis à imagem, baseado na média dos pixeis adjacentes
• ex: 300*300 → 600*300  o software introduz um pixel interpolado por cada um original
• a qualidade da resolução interpolada não é tão boa como a da resolução óptica (pois os pixeis
interpolados são falsos)
Profundidade de cor → nº de bits por pixel
• sistema RGB → R(8bit)*G(8bit)*B(8bit)  28 * 28 * 28 → 16.7 milhões de cores
Outros tipos de scanner
Código de barras
EAN – European Article Number (EAN13)
UPC – Universal Product Code
UPC  start of any bar code = 1-1-1
0 = 3-2-1-1
1 = 2-2-2-1
2 = 2-1-2-2
3 = 1-4-1-1
4 = 1-1-3-2
5 = 1-2-3-1
6 = 1-1-1-4
7 = 1-3-1-2
8 = 1-2-1-3
9 = 3-1-1-2
stop character = 1-1-1
Scanner 3D
http://www.creaform3d.com/pt/handyscan3d/products/uniscan-videoAction.aspx
Rapiscan : luta anti-terrorismo
http://www.youtube.com/watch?v=t2jxZc61RU8
Scanner corporal – segurança em aeroportos
Produção de Vestuário Automatizada e Personalizada
Scanner corporal → extracção de medidas
Selecção de modelos e tecidos
Produção automática
Produto final personalizado
Microprocessadores vs Microcontroladores
Microprocessadores
Arquitectura de Von Neuman
• instruções e dados compartilham a mesma unidade física de memoria
• CISC – Complex Instruction Set Computer
Memória
CPU
Programa
+
Dados
Bus de Dados
Bus de Controlo
Bus de Endereços
Utilização genérica
I/O
Microcontroladores
Arquitectura de Harvard
• instruções e dados são armazenados em memórias diferentes
• RISC – Reduced Instruction Set Computer
• vantagens: instruções mais rápidas; instruções e dados podem ser acedidos
simultaneamente  aumento do desempenho!
Bus de Códigos
Programa
Bus de Dados
CPU
Bus de Endereços
Bus de Endereços
Utilização específica
Dados
Microcontroladores
•
•
•
•
podem ser vistos como dispositivos de propósito específico
usados em tarefas “simples” sem grandes requisitos de processamento, a nível
de rapidez e de tipo de instruções
integram num único circuito integrado (CI; chip):
– processador;
– memória;
– portas de I/O;
– contadores (contam impulsos);
– timers (temporizadores, contam tempo);
– conversores A/D e D/A
– …
tornam-se assim mais baratos e compactos que os circuitos com
microprocessador e outros integrados associados (memória, controladores, etc)
Microprocessadores
Sistema microprocessador de propósito geral
•
•
•
CPU para computadores de propósito geral
RAM, ROM, I/O são exteriores ao CPU
exemplo：Intel x86, Motorola 680x0
Diversos chips na motherboard
Data Bus
CPU
Control
P de
RAM
propósito Bus
geral
Address Bus
ROM
I/O
Port
Timer
Serial
Port
Microcontroladores
Sistema microcontrolador de uso específico
• um computador em um único chip
• RAM, ROM, I/O ports...etc. embutidos no chip
• exemplos：Motorola 6811, Intel 8051, Zilog Z8, PICs, AVRs, …
CPU
RAM ROM
Chip único
I/O
Port
Serial
Timer Port
Microprocessadores vs. Microcontroladores
Microprocessador
Microcontrolador
•
•
•
•
•
•
CPU => stand-alone
RAM, ROM, I/O, timers... separados
projectista pode decidir a quantidade
de ROM, RAM e ports de I/O;
expansível
versatilidade
uso geral
•
•
•
CPU, RAM, ROM, I/O, timer...
estão integrados em um só chip
quantidade fixa de elementos
on-chip (ROM, RAM, I/O ports)
para aplicações onde custo,
potência e espaço são factores
críticos;
uso específico
Microcontroladores : diagrama de blocos
Microcontroladores
•
Exemplos:
– 8051 (INTEL)
• 8 bits
• um dos mais utilizados na prática
• conjunto reduzido de instruções
– PIC (Microchip Technology)
• melhor desempenho
• possui um conjunto de instruções e funções mais elaborados
• baratos (há versões que custam menos de 1€)
• a Microchip fabrica uma família de processadores de 8, 16, 24 e 32 bits
• fáceis de utilizar:
– a nível de programação
– a nível de integração com outros componentes electrónicos
Microcontrolador 8051 (INTEL)
•
Diversas funções integradas
– chip de 40 pinos, 20 de I/O
– temporizadores
– contadores
– módulo de comunicação série
– comunicação com memória externa
– entrada de sinal de interrupção externa
– expansão de memória
Microcontrolador PIC16F84 (Microchip Technology)
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS
•
•
•
•
•
•
•
•
memória de Programa Flash (1024 words de 14bits)
memória de dados: 68 bytes
memória EEPROM: 64 bytes
13 entradas / saídas
PORT A: RA0 ... RA4 (5 PINOS)
PORT B: RB0 ... RB7 (8 PINOS)
cap. de corrente: 25mA (por pino)
4 tipos diferentes de interrupção
Processadores Digitais de Sinais (DSPs)
• diferem dos microprocessadores na arquitetura de hardware, software e no
conjunto de instruções, o qual é optimizado para o tratamento digital de sinais
• são empregues em aplicações que exigem processamento de sinais em tempo real
Usos:
• telecomunicações (filtros, compressão, multiplexação e cancelamento de eco);
• processamento de áudio (gravação em estúdio, sintetizadores, mixers, filtros e
reconhecimento de voz);
• processamento de imagem (principalmente na área médica);
• instrumentação e controlo (precisão das medidas e controle industrial).
Sistemas embebidos/embutidos (embedded systems)
•
•
•
•
•
•
sistema embebido significa que o processador está embutido na aplicação;
é uma “caixa” composta de componentes electrónicos, dotada de capacidade de processamento e
dedicada ao controlo de um dispositivo ou sistema específico;
um produto embebido utiliza um microprocessador ou microcontrolador (ou DSP) para fazer uma ou
poucas tarefas dedicadas;
existe somente uma aplicação de software que normalmente está gravada em ROM (firmware);
normalmente existe a interação com o meio ambiente ou com o operador;
exemplos: impressora, teclado, consola jogos, telemóvel, modem…
microprocessador
sistema embebido
modem ADSL
memória (RAM/ROM)
Interface Hardware/Software : carta K8055 (Velleman)
2 entradas
analógicas (8 bit)
botões
de teste
microcontrolador
PIC16C745
8 saídas
digitais
2 saídas
analógicas
5 entradas
digitais
USB – ligação
do computador
leds de
teste
http://www.velleman.eu/distributor/products/view/?country=be&lang=en&id=351346
Distribuidores: Aliatron - http://www.aliatron.pt/
Niposom: http://www.niposom.com/
K8055 : software de controlo (demo)
•
A carta não é programável – depende de um sistema externo (PC) para funcionar
•
Fornecida com uma DLL que permite a escrita de rotinas do utilizador (C, C#, Basic, Delphi, ...)
entradas
saídas
Exemplos de aplicação
1) aquisição de dados e controlo por computador
2) sistemas de alarme
3) sistemas de gestão técnica: ligar/desligar iluminação, sistema de rega, …
4) …
Arduino : carta controladora programável
14 entradas/saídas digitais
USB
ligação ao PC
Processador
ATmega328
Power
Supply
7-12V
Características Principais
• Baixo custo (≈25€)
6 entradas analógicas
• Microcontrolador: ATmega328, 16MHz
• Memória: Flash(código)=32KB, SRAM(variáveis)=2KB, EEPROM=1KB
• Tensão de alimentação: USB ou fonte externa
• Entradas/saídas digitais: 14, entradas analógicas: 6
• Ligação ao PC: USB
• UART & I2C
• Conector de expansão
• Diversos módulos externos (Shields): controlo motores, comunicações s/fio, …
• Existem diversas variantes: Uno, Duemilenove, Mega, ADK, Lillypad, Nano,...
• Existem “clones” com funções melhoradas (ex: chipKIT, Digilent)
• Fornecedores nacionais: INMOTION(http://inmotion.pt/store/),
PT Robotics(http://www.ptrobotics.com/), Aliatron(http://inmotion.pt/store/)
Arduino : carta controladora programável
entradas
Depois de programado pode funcionar
autonomamente ou ligado a um sistema
externo (PC)
saídas
alimentação
• Ambiente de desenvolvimento: tipo C, gratuito, muitas bibliotecas existentes:
Ethernet, LCD, DateTime, …
KIT disponível no LTC
Arduino Physical Computing Kit (INMOTION)
IDE: http://arduino.cc/en/Main/Software (Arduino 1.0.2)
Conversão A/D e D/A
A/D : Analógico → Digital
D/A :Digital → Analógico
Sinais analógicos vs sinais digitais
Temperatura ºC
Temperatura ºC
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
-2
-2
-4
-4
sinal analógico: a representação das grandezas
faz-se de forma contínua, podendo assumir uma
infinidade de valores – por exemplo, a coluna
de mercúrio do termómetro pode ocupar
qualquer posição ao longo da escala.
sinal digital: a representação das grandezas
faz-se de forma discreta (por saltos), podendo
assumir apenas assumir um número finito de
valores discretos – por exemplo, nos
termómetros a temperatura é habitualmente
indicada apenas até ao décimo de grau Celsius
[ex. a temperatura pode passar de 28.3ºC para
28.4ºC, não sendo mostrados valores intermédios]
Conversão A/D
• A maioria das grandezas físicas com as quais lidamos são analógicas por natureza (ex. Tª)
• Valores analógicos não podem ser directamente processados por sistemas digitais
• Precisam ser convertidos em conjuntos de bits : conversão A/D ( Analógica → Digital )
Conversão A/D
sinal original
converte um sinal analógico
para um sinal numérico (digital)
sinal amostrado
Conversão D/A
converte um sinal numérico (digital)
para um sinal analógico
sinal recuperado
amostras
Conversão A/D & D/A
transdutores
analógico
(obter)
Conversor A/D
Analógico→Digital
mundo real
analógico
digital
ex: temperatura, som,
luminosidade,
velocidade, …
Processamento
Digital
digital
analógico
(actuar)
actuadores
Conversor D/A
Digital→Analógico
A tecnologia digital tem várias vantagens sobre a analógica:
•
•
•
•
circuitos mais simples de projectar e de entender
maior imunidade ao ruído (ou seja, a interferências externas)
maior precisão nos cálculos efectuados
mais fácil de armazenar a informação (apenas 2 bit – 0/1)
Conversão A/D & D/A
Ex: digitalizar um tema musical e guardar o resultado num certo formato (ex:MP3)
som
amostra tempo valor(exemplo)
n6
n7
entrada
som
n5
n1
A/D
analógica
saída
digital
0
1
2
3
.
t0
t1
t2
t3
…
n0 (10011001)
n1 (11000110)
n2 (00110100)
n3 (10101101)
……………..
ficheiro
n0
(ficheiro MP3)
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
tempo
som
amostra tempo valor(exemplo)
0
1
2
3
.
t0
t1
t2
t3
…
n0 (10011001)
n1 (11000110)
n2 (00110100)
n3 (10101101)
……………..
(ficheiro MP3)
n6
n7
entrada
digital
D/A
saída
analógica
n5
n1
som
n0
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
tempo