teoria da computação
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CURSO: CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Prof. Leonardo Augusto Casillo SISTEMAS ANALÓGICOS X DIGITAIS Representação Numérica ◦ Analógica Um valor (quantidade) é representado por um indicador proporcional variável. A quantidade pode variar de modo contínuo. Sistemas Analógicos - São sistemas que manipulam quantidades físicas (peso, massa, etc) ◦ Digital A quantidade é representada por símbolos. A quantidade varia de modo discreto (passo-a-passo). Sistemas Digitais - São sistemas que manipulam informações (bits, bytes, etc) SISTEMAS ANALÓGICOS X DIGITAIS A leitura de uma quantidade analógica apresenta uma interpretação livre, utilizando a técnica de arredondamento. Não existe ambiguidade na leitura de uma quantidade digital, já que a variação ocorre em saltos ou degraus. “A representação digital é o resultado da atribuição de um número de precisão limitada a uma quantidade continuamente variável”. SISTEMA DIGITAL Combinação de dispositivos projetados para manipular informações lógicas ou quantidades físicas que são representadas no formato digital. É um circuito eletrônico que “processa” informação usando apenas dígitos (números) para implementar as suas operações e cálculos. Os dígitos têm valor 0 ou 1. SISTEMA DIGITAL VANTAGENS DE SISTEMAS DIGITAIS Mais fáceis de projetar – não importa o valor exato de tensão ou corrente, mas a faixa de valores na qual se encontram. Mais fácil armazenamento de informação – habilidade de guardar uma informação e mantê-la pelo tempo necessário em um espaço físico relativamente pequeno. Mais fácil de ser programado – operações do sistema controlados por um conjunto de instruções denominado programa. Mais fácil manter a precisão e exatidão em todo o sistema – informação não se deteriora após digitalizado. Menos afetados por ruídos – desde que o ruído não tenha amplitude suficiente que dificulte a distinção entre as faixas de valores. 6 POR QUE ESTUDAR SISTEMAS DIGITAIS? Conhecer dispositivos que integram processadores de informação em nosso cotidiano. Entender porque a informação digital é mais eficiente na manipulação de técnicas para processar e utilizar informação. Conhecer e utilizar técnicas modernas que permitam desenvolver sistemas de tratamento de informação em problemas reais. ◦ Metodologias de projetos ◦ Ferramentas de CAD para desenvolver projetos ◦ Linguagem para descrição de hardware (VHDL) Começar a entender o funcionamento de computadores digitais a partir de seus fundamentos. Desenvolver projetos de “circuitos embarcados” 7 LIMITAÇÕES DE SISTEMAS DIGITAIS Apenas umazinha só, bem básica... O MUNDO REAL É QUASE TOTALMENTE ANALÓGICO! Temperatura, pressão, velocidade, aceleração, nível, vazão, áudio, etc 8 SISTEMA DIGITAL: COMO PROCEDER? Converter a variável física em um sinal analógico por meio de sensores; Converter as entradas analógicas para o formato digital por meio de circuitos conversores AD; Realizar o processamento da informação digital; Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico por meio de circuitos conversores DA; Enviar a informação analógica de volta ao mundo real (dispositivo físico) por meio de atuadores. SISTEMA DIGITAL Exemplo: sistema de controle de temperatura CIRCUITOS DIGITAIS Circuitos projetados para produzir tensões de saída que se encontrem dentro das faixas de tensões determinadas para os níveis 0 e 1, e para responder a tensões de entrada previsíveis que estejam dentro de faixas definidas para os níveis 0 e 1. CIRCUITOS LÓGICOS O modo como um circuito digital responde a uma entrada é denominada lógica do circuito. Cada tipo de circuito digital obedece a um determinado conjunto de regras lógicas. Circuitos digitais = circuitos lógicos COMPUTADOR DIGITAL É um sistema de hardware que realiza operações aritméticas, manipula dados e toma decisões. Cada unidade funcional de um computador desempenha uma função específica: EXERCÍCIOS 1 – Dentre as quantidades listadas, quais estão relacionadas a quantidades analógicas e quais estão relacionadas a quantidades digitais? ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ A) chave de dez posições B) corrente que flui de uma tomada elétrica C) temperatura de um ambiente D) grãos de areia em uma praia E) velocímetro de um automóvel EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES Primórdios EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES Válvulas Transistores Circuitos Integrados Microchips VALVULA ELETRÔNICA Sua função é regular o fluxo de corrente elétrica em um circuito. Completamente fechada, ela interrompe o fluxo. Inteiramente aberta, ela deixa passar toda a corrente. E em posições intermediárias, ela regula a intensidade deste fluxo. 18 VALVULA ELETRÔNICA Uma válvula parece uma lâmpada incandescente. Tanto a válvula eletrônica quanto as lâmpadas incandescentes são dispositivos constituídos de um bulbo de vidro no interior do qual se faz o vácuo e que contém um filamento de material condutor de alta resistência que se deixa atravessar por uma corrente elétrica. Nas lâmpadas, isso é tudo: o filamento esquenta devido à potência que a corrente elétrica dissipa ao atravessá-lo, essa liberação de calor faz com que o filamento fique incandescente e a luz liberada ilumina o ambiente. Na válvula, o filamento também esquenta, mas sua função não é iluminar, mas sim aquecer uma pequena placa metálica chamada catodo. 19 VALVULA ELETRÔNICA 20 VALVULA ELETRÔNICA Abaixo do catodo está o filamento, cuja única função é liberar calor. Na extremidade oposta está o anodo, uma outra placa metálica semelhante ao catodo. Catodo e anodo estão ligados a uma bateria, o primeiro ao pólo negativo, o segundo ao positivo. Como está ligado ao pólo negativo, o catodo fica saturado de elétrons. Já o anodo, ligado ao pólo positivo, carrega-se positivamente (ou seja, seus elétrons livres são drenados para o pólo positivo da bateria). Portanto, forma-se uma diferença de potencial elétrico entre catodo e anodo. Entre eles não há ar, portanto a resistência elétrica é baixa. Os elétrons que se acumulam no catodo são atraídos pelas cargas positivas do anodo que, por estar aquecido, libera elétrons com facilidade. Os elétrons então saltam através do vazio, do anodo para o catodo, estabelecendo uma corrente elétrica que atravessa a válvula. 21 VALVULA ELETRÔNICA A grade está ligada ao pólo negativo da mesma bateria que aquece o filamento através de um potenciômetro (resistor variável). Com o potenciômetro ajustado para sua resistência máxima, não há tensão aplicada à grade e os elétrons a atravessam facilmente em sua jornada do catodo para anodo. Já com ele ajustado para resistência mínima, uma grande tensão negativa é aplicada à grade, que se satura de elétrons. Esses elétrons repelem os que tentam saltar do catodo para o anodo que, portanto, não conseguem atravessar a grade. E regulando-se o potenciômetro para resistências intermediárias, reduz-se a polarização negativa da grade, permitindo a passagem de mais ou menos elétrons. Portanto, regulando a corrente elétrica. 22 TRANSISTOR O transistor foi desenvolvido em 1948 nos EUA. É um pequeno pedaço de material semicondutor, contendo três ou mais terminais. http://pt.wikipedia.org/wiki/Transistor Há diversos tipos de transistores. No tipo mais simples, transistor bipolar, os terminais são denominados “emissor”,“coletor” e “base”. 23 TRANSISTOR O emissor tem exatamente a mesma função que o catodo de uma válvula. O coletor é análogo ao anodo. E a base faz o papel da grade. Polarizando-se diretamente coletor e emissor (p.ex. ligando-se aos pólos de uma bateria) e aplicando-se uma tensão à base, haverá uma corrente entre coletor e emissor cuja intensidade é proporcional à tensão aplicada à base. 24 TRANSISTOR Uma das características dos transistores é a que permite estes serem empregados como “chaves”, ou seja, um dispositivo que permite ou não a passagem de uma corrente elétrica. Essa é sua principal utilização nos circuitos digitais, os que dizem respeito aos computadores. 25 TRANSISTOR Na figura, o emissor está ligado a terra, enquanto o coletor e a base estão ligados aos pólos positivos de duas baterias. Entre a base e sua bateria, há um interruptor que na figura está aberto. Enquanto este interruptor estiver aberto, não haverá tensão alguma aplicada à base. Nessas condições o transistor se comporta como um resistor de resistência praticamente infinita, ou seja, não conduz corrente elétrica. Portanto, não haverá corrente entre o coletor e o emissor mesmo havendo uma tensão aplicada entre eles, pois a resistência do transistor impede que ela se estabeleça. 26 TRANSISTOR Se o interruptor situado entre a base e a bateria se fecha, isto aplicará à base a mesma tensão da bateria. A presença de uma tensão na base fará uma pequena corrente fluir entre base e emissor. Devido às características próprias do transistor, a presença desta corrente, mesmo pequena, provocará uma brusca redução da resistência elétrica entre coletor e emissor. Nessas condições o transistor passa a se comportar como um resistor de resistência praticamente nula, ou seja, não exercerá nenhum obstáculo à corrente elétrica. Uma corrente passará então a fluir entre coletor e emissor devido à tensão aplicada entre eles. 27 CIRCUITO INTEGRADO É um conjunto de elementos básicos: resistores, capacitores, diodos e transistores, fabricados sobre um pedaço de material semicondutor (normalmente Silício), que pode implementar funções lógicas digitais e/ou funções analógicas integradas. 28 VANTAGENS DO CIRCUITO INTEGRADO Grande número de circuitos inseridos em um pequeno dispositivo (redução de área); Produção em larga escala (economia no custo produção); Redução de interconexões externas (confiabilidade); Miniaturização de circuitos (redução no consumo de energia); Refrigeração reduzida (baixa potência dissipada). de 29 DESVANTAGENS DO CIRCUITO INTEGRADO Em geral não podem trabalhar com altas correntes devido a dissipação térmica excessiva. Não podem implementar facilmente certos dispositivos elétricos como indutores, transformadores e grandes capacitâncias. ◦ Devido as características de baixa potência dos CIs de uma maneira geral estes dispositivos são mais apropriados para processamento de dados. 30 APLICAÇÕES DE CIRCUITOS INTEGRADOS 31 ÁREAS DE ATUAÇÃO Redes de computadores Projetista de Hardware e/ou equipamentos eletrônicos Sistemas Embarcados Processamento de sinais e/ou imagens Robótica Controle e automação Indústrias (ex: automobilística) Biotecnologia Jogos E-commerce Telecomunicações
