Arquitetura do computador

Por André Ataíde em 27/02/2024

O que é um computador?

Essa é uma das primeiras perguntas que faço quando começamos uma nova turma de T.I. É impossível ensinar alguém a trabalhar com o computador sem que saiba, até mesmo o que este termo significa...

AVISO!

Este não é um artigo técnico preciso e avançado. Não tem intenção de ser. O objetivo dele é tentar explicar a um leigo que está ingressando agora na T.I., um conceito altamente técnico, avançado e complexo. Se você precisa de um conteúdo mais aprofundado, busque outras fontes…

Máquina de matar

... E, no começo era só barbárie. Pessoas matando pessoas por motivações bem infantis e egocêntricas, até que alguém, "com nada para fazer", além de pensar como matar pessoas, teve a magnífica ideia de criar uma arma que o ajudasse a matar as pessoas de forma mais eficiente…

Eis que o criador dá origem à criatura! De um emaranhado de fios, conectores, armações de metal e tubos de vidro preenchidos com eletricidade, nasce o computador moderno. O nome parecia copiado de alguma obra de ficção científica de H. G. Wells: ENIAC o Monstro.

Deus salve o mundo!!!

Área de trabalho do ENIAC.
Fonte: Wikipedia

Das trevas à modernidade

Filosofia à parte, o precursor dos computadores modernos não era uma máquina simples, e ainda hoje, seus descendentes, não são. Não, não são! Mas os "sistemas computacionais" se tornaram peças valiosas para a existência humana, atuando em coisas mundanas como relógios e fones de ouvido, até I.A. capazes de fazer subir a maior nave espacial já criada, pilotar carros melhor que agente, prever o tempo para as colheitas ou encontrar a cura para doenças incuráveis faz alguns anos atrás. Até meus bichinhos de estimação carregam um computador, algumas vezes mais poderoso que o ENIAC, implantados em seus corpinhos.

Mais exemplos: cartões de pagamento, bilhetes de passagem, controles remotos em geral, brinquedos de bebê, utensílios domésticos, automóveis, ferramentas, TVs em geral e quase tudo mais que ligamos em uma tomada ou colocamos pilhas,carregam um sistema computacional se queremos dar alguma utilidade mais "inteligente" para tal.

A arquitetura Harvard - von Neuman

Mas, no final das contas, quem estuda um pouco mais profundamente essa fantástica máquina e todas as parafernálias que se beneficiam dela descobre que é sempre a mesma coisa, desde lá das origens. Independente da aplicação, todos os computadores digitais eletrônicos seguem o mesmo princípio arquitetônico que evoluiu de uma junção de duas premissas, inicialmente antagônicas, a máquina da universidade de Harvard e a máquina de John von Neumann que nos fez chegar a algo que tento diagramar logo abaixo:

Simplificação de um sistema computacional
Fonte: André Luferat

CPU

Mesmo que os mais leigos costumam chamar o gabinete de CPU, na verdade a "Central Processor Unit", o principal componente de um sistema computacional é uma poderosa e compacta pastilha de minérios altamente refinados que faz todo o trabalho de executar as tarefas lógicas, que nada mais são do que cálculos matemáticos usando a Álgebra Booleana mais simples e perfeita que existe.

Mas, esse componente, sozinho não passa de uma calculadora, então, precisamos de mais coisas:

RAM

A "Randomic Access Memory" é um componente que consegue armazenar dados, operações e resultados da Álgebra Booleana de forma bem rápida e eficiente, permitindo que a CPU leia, altere e até mesmo apague o que está armazenado em qualquer parte da RAM, daí o termo "Randomic" de aleatório.

É neste componente que se materializa a parte SOFTWARE do sistema computacional. Enquanto um computador está sendo operado, é nela que estão residentes o sistema operacional, os aplicativos e os dados desses aplicativos. É assim até que eles não sejam mais necessários ou que se desligue a energia elétrica, quando ela "esquece" tudo.

ROM

Lembra que o processador é só uma pedrinha de minerais, pois quando a energia passa por essa pedrinha, ela não tem motivo nenhum, até que um software comece a funcionar, ordenando a energia elétrica a passar pelas partes corretas do processador. O problema é que a RAM perde tudo ao ser desligada e não há um software útil nela.

Aqui entra a "Read Only Memory". Ela não perde os dados gravados, mesmo na ausência de energia, então, grava-se nela um software especial que vai fazer o "boot" formal do processador, dando sentido à existência dele. Esse software chama-se FIRMWARE e é responsável por, por exemplo, fazer um teste inicial no sistema, preparar os componentes e carregar o sistema operacional e os softwares iniciais para a RAM.

Clock

Novamente, lembre-se "da pedra". Para que possa operar e executar as tarefas determinadas pelos softwares, o processador precisa de um "incentivo" que é dado pelos componentes de clock. Esse incentivo vem na forma que choques elétricos de curta duração, que chamamos de "pulsos de clock", aplicados aos componentes do computador. Esses pulsos elétricos são responsáveis por dar ritmo e temporização aos componentes, de forma que todos trabalham sincronizados. Em teoria, cada pulso de clock informa ao processador que está na hora dele executar a operação atual entregue pelo software.

I/O

O único objetivo de um sistema computacional existir é para atender às necessidades de seu criador, então, é necessário que existam interfaces para que o processador receba suas tarefas e devolva os resultados destas para o resto do mundo e os componentes que fazem isso chama-se "Input e output". Bons exemplos são os teclados, touch screens, monitores, atuadores, sensores e tudo mais que podemos pendurar no sistema para enviar e receber dados deste.

Fonte de Energia

Tudo isso tem um culpado que é perfeitamente explicado pelas leis da física e chamamos de energia elétrica ou eletricidade. Como disse antes, o computador é basicamente uma calculadora que converte, opera e resolve a Álgebra Booleana eletricamente. Por que eletricidade? Porque é a forma de energia que conseguimos controlar com mais precisão, com uma precisão absurda!

Barramentos

São todas as linhas por onde a eletricidade circula dentro do sistema. Temos diversos  tipos de barramentos como os de dados, de status, de controle, de alimentação...  Alguns desses barramentos podem até se estender para fora do sistema permitindo acoplar componentes externos. Um ótimo exemplo são as portas USB. Além da eletricidade, podemos ter barramentos capazes de transportar dados na forma de luz e ondas de rádio também.

No diagrama estão representados dois tipos de barramentos: o processador pode ler ou gravar dados na RAM, por exemplo, assim como enviar e receber dados do I/O, por isso os barramentos destes componentes são bidirecionais, permitindo que os dados trafeguem em ambos os sentidos. Já a ROM é somente de leitura, o processador nunca envia dados para ela, assim como acontece com o clock, daí esses componentes usarem  barramentos unidirecionais, onde os dados sempre seguem o mesmo sentido.

Muito, mas não o suficiente

Neste momento, alguém mais desnutrido perguntaria: - É só isso? Cadê o HDD, a placa mãe, o mouse, o monitor, etc…

Veja bem que desde o começo, estamos falando da arquitetura e não de um tipo específico de computador. Se fizermos engenharia reversa em qualquer coisa computadorizada, vamos chegar nesses componentes "base", logo após passar por todos os outros componentes de I/O, hardware e software que tornam cada computador único e dedicado às tarefas para as quais ele foi projetado. Todos têm a mesma origem e ainda a terão por bastante tempo, até que novas arquiteturas fundamentais como a arquitetura de computadores quânticos passe a ser algo relevante e dominante.

Como disse, a aplicação de um computador parte desses componentes e de uma relação matematicamente e fisicamente simbiótica entre HARDWARE, SOFTWARE, FIRMWARE e componentes conectados ao I/O, sem esquecer de seu objetivo de existência, atender às necessidades do seu criador, vulgo ser humano!

Protótipo de computador híbrido eletrônico e quantico da IBM.
Fonte: divulgação da IBM.
Homem Vitruviano da VinciFonte: Wikipedia

À sua imagem e semelhança...

Assim como um carro, uma furadeira elétrica ou um carimbo, os computadores são ferramentas criadas para estender as capacidades do usuário e simplificar a solução de problemas. E, assim como qualquer ferramenta, é moldado para se encaixar às nossas necessidades de forma a obtermos uma "simbiose" mais perfeita possível. Quanto mais perfeita essa simbiose, melhor será a solução dos problemas para os quais a ferramenta foi criada para resolver.

A criação dos computadores, desde seus primórdios, reflete inegavelmente a influência e inspiração dos humanos. Os criadores buscaram reproduzir suas capacidades cognitivas e realizar tarefas complexas de maneira eficiente. Assim, os algoritmos e a arquitetura dos computadores refletem a mentalidade humana, incorporando raciocínio lógico, resolução de problemas e a capacidade de processar informações de forma rápida e precisa. A criação dos computadores é, portanto, um testemunho da busca incessante dos humanos por replicar e aprimorar suas próprias habilidades através da tecnologia. 

Nesse contexto, podemos dizer que os computadores foram criados à nossa imagem e semelhança. Usando uma contextualização bem simples:


← Processador →


←     RAM    


←     ROM     →


←     Clock     →


←     I/O     →


←     Fonte     →

Sigamos em frente

Já temos o suficiente para entender, minimamente, o que seria um sistema computacional. Muito pouco, acredite! Siga os diversos links do texto para se aprofundar. Vai valer a pena!!!

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