ORGANIZAÇÃO ESTRUTURADA DE COMPUTADORES. CEFETES - UnED Serra

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1 ORGANIZAÇÃO ESTRUTURADA DE COMPUTADORES CEFETES - UnED Serra

2 ARQUITETURA & ORGANIZAÇÃO 1 Arquitetura : Atributos de um computador visiveis para o programador Conjunto de instruções, numero de bits utilzado para a representação de dados, Mecanismos de E/S, Tecnicas de endereçamento. Por exempl:. Existe uma instrução de multiplicação? Organização : Como os atributos de um computador são implementados Sinais de controle, interfaces, Tecnologia da memória Por exemplo: Existe uma unidade capaz de realizar diretamente uma instrução de multiplicação ou ela é realizada por meio de adições?

3 ARQUITETURA & ORGANIZAÇÃO 2 Todos os processadores Intel da familia x86 compartilham uma mesma arquitetura básica Os computadores IBM da familia System/370 compartilham uma mesma arquitetura. Possibilitando compatibilidade Organização diferente entre os modelos

4 INTRODUÇÃO Componentes de um Computador Memória Controle Vias de dados Entrada Saída

5 STRUCTURE - TOP LEVEL Peripherals Computer Central Processing Unit Main Memory Computer Systems Interconnection Communication lines Input Output

6 STRUCTURE - THE CPU CPU I/O Computer System Bus Memory CPU Registers Internal CPU Interconnection Arithmetic and Login Unit Control Unit

7 STRUCTURE - THE CONTROL UNIT Control Unit ALU CPU Internal Bus Registers Control Unit Sequencing Login Control Unit Registers and Decoders Control Memory

8 INTRODUÇÃO Complexidade requer abstrações Abstração do Hardware Sistema Módulo Porta Circuito Dispositivo S G D n+ n+

9 INTRODUÇÃO Abstração do Software (relativa ao Hardware) Aplicações Sistema Operacional Hardware

10 INTRODUÇÃO Informação mínima no hardware Bit (0 ou 1) Conjunto de 8 bits: byte Conjunto de 32 bits: palavra (neste contexto) Programa Combinação de bits com significado para máquina

11 INTRODUÇÃO Código de difícil inteligibilidade Solução: criar símbolos que representem o código Mnemônicos addi A, B, -1 addi C, D, 4 mul E, B, B

12 INTRODUÇÃO Tradutor automático addi A, B, -1 addi C, D, 4 mul E, B, B Montador

13 INTRODUÇÃO Tradutor automático Linguagem Assembly addi A, B, -1 addi C, D, 4 mul E, B, B Montador Linguagem de Máquina Instruções

14 INTRODUÇÃO Linguagens de Alto Nível Linguagem C/Java A = B 1 C= D + 4 E = B * B Compilador Linguagem Assembly addi A, B, -1 addi C, D, 4 mul E, B, B Instruções

15 INTRODUÇÃO for (i=0; i<10; i++){ m=m+j+c; j=j-i; } HLL Compilador C MIPS Compilador C SPARC Compilador C IA32 Assembly MIPS... add $17, $18, $19 add $16, $16, $17 sub $20, $20, $21... Assembly SPARC... add %g4, %g1, %g2 add %g3, %g3, %g4 sub %g5, %g5, %g7... Assembly IA32... add eax, ebx, ecx sub ax, bx, cx... Montador MIPS Montador SPARC Montador IA32 Linguagem de Máquina MIPS Linguagem de Máquina SPARC Linguagem de Máquina IA Processador MIPS R3000 Processador SPARC v8 Processador Pentium

16 INTRODUÇÃO for (i=0; i<10; i++){ m=m+j+c; j=j-i; } HLL Processador MIPS R3000 Memória Compilador C MIPS... add $17, $18, $19 add $16, $16, $17 sub $20, $20, $21... Montador MIPS Assembly MIPS Ligador MIPS Código Executável Carregador (SO) Linguagem de Máquina MIPS biblioteca

17 INTRODUÇÃO Programa em Java Compilador Java ByteCodes Java (.class) JIT Bibliotecas Java Máquina Virtual Java Métodos Java Executáveis Hardware e Software são equivalentes

18 LINGUAGENS, NÍVEIS E MÁQUINAS VIRTUAIS Linguagem: conjunto de instruções utilizadas para se construir programas Linguagem de Máquina: linguagem (L0) do computador real Linguagem Abstrata: linguagem (L1) mais adequada para pessoas

19 LINGUAGENS, NÍVEIS E MÁQUINAS VIRTUAIS Tradução: substituição de cada instrução de um programa em L1 por uma seqüência equivalente de instruções em L0, obtendo um novo programa em L0 que pode ser executado no computador real Interpretação: execução de um programa em L1 por outro programa (interpretador) em L0; o programa em L1 é input para o interpretador, que examina cada instrução em L1 e executa uma seqüência equivalente de instruções em L0

20 MÁQUINA MULTINÍVEL (MULTICAMADA) Máquina virtual Mn, com linguagem de máquina Ln Máquina virtual M2, com linguagem de máquina L2 Programa em Ln pode ser interpretado por um interpretador executando em uma máquina mais abaixo, ou traduzido para a linguagem de máquina de uma máquina mais abaixo Programa em L2 pode ser interpretado por interpretadores executando em M1 ou em M0, ou traduzido para L1 ou L0 Máquina virtual M1, com linguagem de máquina L1 Programa em L1 pode ser interpretado por um interpretador executando em M0, ou traduzido para L0 Computador real M0, com linguagem de máquina L0 Programa em L0 é diretamente executado por circuitos eletrônicos

21 LINGUAGENS, NÍVEIS E MÁQUINAS VIRTUAIS Máquina Virtual: máquina (M1) hipotética, cuja linguagem de máquina é a linguagem L1 Nível ou Camada: uma máquina (computador real ou virtual) e a correspondente linguagem, sobre a qual uma nova camada pode ser acrescentada

22 MÁQUINA MULTINÍVEL CONTEMPORÂNEA Nível 5 Nível 4 Nível 3 Nível de Linguagem Orientada a Problemas Tradução (compilador) Nível de Linguagem de Montagem (Assembly) Tradução (montador ou assembler) Nível de Máquina de Sistema Operacional Interpretação parcial (sistema operacional) (BASIC, C, C++, Java, LISP, Prolog,...) (mnemônicos para as Instruções de máquina) (instruções para permitir concorrência e uma organização diferente da memória) Nível 2 Nível de Arquitetura de Conjunto de Instruções Interpretação (microprograma) ou execução direta (instruções de máquina) Nível 1 Nível 0 Nível de Microarquitetura Hardware Nível de Lógica Digital (registradores e o circuito ALU Arithmetic Logic Unit) (gates constituídos de transistores e registradores que compõem a memória)

23 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA Organização Estruturada de Computadores. 4ª Edicão, Andrew S. Tanenbaum. Arquitetura e organização de computadores. 5ª Edição, William Stallings Introdução à Organização de Computadores. 4ª Edição, Mário Monteiro.

24 HISTÓRICO E EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES

25 EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES Geração Pioneira Computadores Mecânicos ( ) 1ª Geração Computadores com Tubos a Vácuo ou Válvulas Eletrônicas ( ) 2ª Geração Computadores com Transistores ( ) 3ª Geração Computadores com Circuitos Integrados ( ) 4ª Geração Computadores com Integração em Escala Muito Grande - VLSI (1980-?) e Computadores pessoais

26 GERAÇÃO PIONEIRA ( ): COMPUTADORES MECÂNICOS Blaise Pascal ( , França) construiu em 1642 a primeira máquina de calcular, baseada em engrenagens e alavancas, e que permitia fazer adições e subtrações. Baron Gottfried Wilhelm von Leibniz ( , Alemanha) construiu outra máquina no mesmo estilo, e que permitia também fazer multiplicações e divisões.

27 GERAÇÃO PIONEIRA ( ): COMPUTADORES MECÂNICOS Charles Babbage ( , Inglaterra) construiu na Universidade de Cambridge duas máquinas: Difference Engine: executava sempre o mesmo algoritmo (tratava tabelas de números para fins de navegação naval, aplicando o método de diferenças finitas usando polinômios); a saída era gravada em pratos de cobre e aço. Analytical Engine: Quatro componentes: store (memória), mill (unidade de computação), input section (leitora de cartões perfurados) e output section (saída impressa e com perfuração); A unidade de computação lia números da memória, fazia cálculos (adição, subtração, multiplicação e divisão) e podia retornar o resultado para a memória. Máquina de propósito geral: lia instruções (de tratamento aritmético e de desvio condicional) através de cartões perfurados e as executava. Primeira pessoa a escrever programas: Ada Augusta Lovelace

28 GERAÇÃO PIONEIRA ( ): COMPUTADORES MECÂNICOS Konrad Zuse (Alemanha) construiu durante a década de 1930 uma série de máquinas de calcular baseadas em relays eletromagnéticos, mas a Segunda Guerra Mundial impediu o seu avanço e ainda causou a sua destruição. John Atanasoff (Estados Unidos da América, Iowa State University) e George Stibbitz (Estados Unidos da América, Bell Labs) construíram no final da década de 1930 calculadoras que já usavam aritmética binária e possuíam memória baseada em capacitores. Howard Aiken (Estados Unidos da América, Harvard University) construiu em 1944 uma máquina de propósito geral chamada Mark I, baseada no trabalho de Babbage, mas que usava relays eletromagnéticos no lugar de engrenagens.

29 PRIMEIRA GERAÇÃO ( ): VÁLVULAS Governo Britânico construiu em 1943 o primeiro computador digital eletrônico, o COLOSSUS, para fins de decodificar as mensagens trocadas pelos alemães durante a Segunda Guerra Mundial, que eram criptografadas por uma máquina chamada ENIGMA. O projeto foi mantido em segredo por 30 anos, por isso, não houve evolução. Alan Turing participou do projeto.

30 PRIMEIRA GERAÇÃO ( ): VÁLVULAS John Mauchley e J. Presper Eckert (EUA) construíram em 1946 para fins militares um computador eletrônico chamado ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): tubos a vácuo relays 30 toneladas 140 kilowats 20 registradores de números decimais de 10 dígitos Programação feita através de switches e de milhares de jumpers (cabos de conexão) John von Neumann participou do projeto.

31 INVENÇÃO DA MICROPROGRAMAÇÃO Os primeiros computadores (anos 40) possuíam somente dois níveis: Nível de Arquitetura de Conjunto de Instruções e o Nível de Lógica Digital, que era complicado, difícil de entender e construir, e de baixa confiabilidade. Em 1951, Maurice Wilkes (University of Cambridge) sugeriu a introdução de um nível intermediário para simplificar o hardware: um interpretador (microprograma) imutável para executar as instruções especificadas no nível acima.

32 PRIMEIRA GERAÇÃO ( ): VÁLVULAS

33 PRIMEIRA GERAÇÃO ( ): VÁLVULAS Vários computadores surgiram na seqüência: JOHNIAC: Rand Corporation ILLIAC: Universidade de Illinois MANIAC: Laboratório de Los Alamos WEIZAC: Instituto Weizmann, Israel EDSAC (1949): Universidade de Cambridge; foi o primeiro a armazenar programas em memória.

34 PRIMEIRA GERAÇÃO ( ): VÁLVULAS John von Neumann (Estados Unidos da América, Instituto de Estudos Avançados de Princeton) construiu em 1952 o computador IAS: Programas e dados representados de forma digital em memória Processamento baseado em aritmética binária, ao invés de decimal

35 MÁQUINA DE VON NEUMANN Memória Unidade de Controle Unidade Aritmética Lógica Acumulador Input Output Memória: 4096 palavras de 40 bits (2 instruções de 20 bits ou um inteiro) Instrução: 8 bits para indicar o tipo, 12 tipos para endereçar a memória Acumulador: registrador especial de 40 bits

36 PRIMEIRA GERAÇÃO ( ): VÁLVULAS IBM começou a construir computadores: 1953: IBM palavras de 36 bits Duas instruções por palavra Máquina para aplicações científicas (numéricas) 1956: IBM 704 4K de memória Instruções de 36 bits Hardware para floating-point (números reais) 1958: IBM 709

37 INVENÇÃO DO SISTEMA OPERACIONAL Por volta de 1960, foi criado um programa sistema operacional que ficaria constantemente em execução no computador com a função de automatizar o trabalho do operador do computador: iniciar um novo job, carregar o compilador de FORTRAN, carregar o programa a ser compilado, executar o programa resultante da compilação, entrar os dados para o programa, imprimir os resultados do programa,... Batch system: execução seqüencial de jobs (um único usuário por vez no computador) Timesharing system: terminais remotos conectados ao computador central através de linhas de telefone (CPU compartilhada entre muitos usuários)

38 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES Invenção do transistor 1948, Bell Labs, EUA John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley TX-0 (Transistorized experimental computer 0) M.I.T., Lincoln Laboratory Primeiro computador com transistor

39 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES PDP , DEC (Digital Equipment Corporation) Primeiro computador comercializado Kenneth Olsen (participante do projeto do TX-2) fundou a DEC em Memória: 4K palavras de 18 bits Ciclo: 5 microsegundos Primeiro computador com display visual: tela de 512x512 pontos Preço: US$120,000 Unidades vendidas: algumas dezenas Nascimento da indústria de minicomputadores

40 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES

41 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES PDP-8 DEC, 1965 Preço: US$16,000 Unidades vendidas: Máquina de 12 bits Barramento único: omnibus (FIGURA)

42 BARRAMENTO ÚNICO DO PDP-8 - OMNIBUS - CPU memory console terminal paper tape I/O other I/O Omnibus

43 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES

44 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES 7090 IBM ( International Business Machine) Versão transistorizada do IBM 709

45 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES , IBM Memória: 32K palavras de 36 bits Ciclo: 2 microsegundos , IBM Memória: 4K bytes Máquina orientada a negócios: Fitas magnéticas (leitura e escrita) Cartões (leitura e perfuração) Impressão relativamente rápida e barata

46 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES

47 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES , CDC (Control Data Corporation) Projetista: Seymour Cray Alto grau de paralelismo dentro da CPU: Várias unidades para adição, multiplicação e divisão trabalhando simultaneamente. Até 10 instruções executadas simultâneamente Muito mais rápido que o 7094! Pequenos computadores auxiliares para tratamento de entrada e saída Sucessores: 7600, Cray-1

48 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES

49 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES B5000 Burroughs Projeto orientado para a execução de programas em Algol-60, linguagem precursora do Pascal Maior prioridade para o software Menor prioridade para velocidade de processamento e preço

50 SEGUNDA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM TRANSISTORES

51 TERCEIRA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM CIRCUITOS INTEGRADOS Invenção do circuito integrado de silício 1958, Robert Noyce Dezenas de transistores em um único chip Possibilitou construir computadores menores, mais rápidos e mais baratos

52 TERCEIRA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM CIRCUITOS INTEGRADOS System/360 (IBM, 1965) Família de computadores, com diferentes capacidades de processamento e armazenamento: modelos 30, 40, 50 e 65 (tabela) Visava substituir o 1401 (comercial) e o 7094 (científico) ao mesmo tempo Permitia multiprogramação: vários programas em memória em execução simultânea (quando um aguardava uma operação de entrada ou saída se completar, outro podia executar) Emulava outros computadores (1401, 7094), devido à sua capacidade de microprogramação Endereçamento máximo: 16 megabytes (24 bits)

53 TERCEIRA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM CIRCUITOS INTEGRADOS

54 FAMÍLIA IBM SYSTEM/360 Propriedade Modelo 30 Modelo 40 Modelo 50 Modelo 65 Desempenho relativo 1 3, Ciclo (nsec) Memória (KB) Bytes lidos por ciclo Canais para dados

55 TERCEIRA GERAÇÃO ( ): COMPUTADORES COM CIRCUITOS INTEGRADOS PDP-11 DEC, 1970 Sucessor de 16 bits do PDP-8 Grande sucesso, especialmente nas universidades

56 QUARTA GERAÇÃO (1980-?): COMPUTADORES COM INTEGRAÇÃO EM ESCALA MUITO GRANDE VERY LARGE SCALE INTEGRATION (VLSI) Década de 80: grande compactação dos circuitos integrados Dezenas de milhares, depois centenas de milhares e finalmente milhões de transistores em um chip Desempenho aumentou muito Preços caíram muito Computadores deixaram de ser privilégio de grandes corporações Início da era do computador pessoal

57 PRIMEIROS COMPUTADORES PESSOAIS Vendidos em kits para o próprio consumidor montar Placa de circuito impresso Conjunto de chips (tipicamente Intel 8080) Alguns cabos Fonte de alimentação Floppy disk de 8 polegadas Software não era fornecido: o consumidor tinha que escrever seu próprio software

58 PRIMEIROS COMPUTADORES PESSOAIS Sistema operacional CP/M Gary Kildall Processadores Intel 8080 Floppy disk operating system Sistema de arquivos Comandos por teclado Apple, Apple II Steve Jobs e Steve Wozniak Muito popular para uso doméstico e em escolas

59 PRIMEIROS COMPUTADORES PESSOAIS IBM Personal Computer IBM, 1981 Intel 8088 Projeto de circuitos público: Objetivo: permitir que outros fabricassem componentes facilmente acopláveis ao PC (plug-in boards) Conseqüência: indústria de clones Sistema operacional: Inicialmente, MS-DOS (criação da Microsoft) Mais tarde, com CPUs mais poderosas, OS/2, que possui interface gráfica semelhante ao Apple Macintosh Mais tarde ainda, MS-Windows

60 LEI DE MOORE Gordon Moore, 1965, Intel Número de transistores em um chip dobra a cada 18 meses. Círculo Virtuoso: Avanço tecnológico propicia melhores produtos a preços mais baixos. Preços mais baixos induz ao surgimento de novas aplicações (exemplo, video games) Novas aplicações aumentam as possibilidades de mercado e fazem surgir novas empresas. Novas empresas leva a competição, criando demanda econômica para o avanço tecnológico.

61 TEMPO X NUMERO DE TRANSISTORES

62 LEI DE NATHAN Nathan Myhrvold, Microsoft Software é como gás: expande até preencher todo o container. Exemplo: editores de texto Troff (década de 80) ocupava alguns milhares de kilobytes de memória Editores atuais ocupam dezenas de megabytes

63 CATEGORIAS DE COMPUTADORES Tipo Descartável Embutido Game Computadores pessoais Servidores Coleção de workstations Mainframe Supercomputador Preço ($) Exemplos de aplicação 1 Cartões de mensagens 10 Relógios, carros, equipamentos 100 Vídeo games 1K Desktops e portáteis 10K Servidores de rede 100K Minisupercomputador departamental 1M Processamento batch em bancos 10M Previsão de tempo, prospecção de petróleo

64 INTEL 1968: Fundação Robert Noyce ( inventor do circuito integrado de silício ) Gordon Moore ( Moore s law ) Arthur Rock ( investidor ) Tabela de processadores (próximo slide)

65 INTEL Chip Data MHz Transistores Memória Nota /1971 0, Primeiro microprocessador em um único chip /1972 0, KB Primeiro microprocessador de 8 bits / KB Primeira CPU de propósito geral em um chip / MB Primeira CPU de 16 bits em um chip / MB Usado no IBM PC / MB Esquema de proteção de memória / GB Primeira CPU de 32 bits / ,2M 4 GB Cache interno de 8K Pentium 3/ ,1M 4 GB 2 pipelines; MMX Pentium Pro 3/ ,5M 4 GB Cache interno em dois níveis Pentium II 5/ ,5M 4 GB Pentium Pro com MMX

66 SUN 1987: SPARC (Scalable Processor ARChitecture) RISC: Reduced Instruction Set Máquina de 32 bits 1995: UltraSPARC I Máquina de 64 bits Orientada a multimídia VIS: Visual Instruction Set

67 JVM JVM: Java Virtual Machine SUN Portabilidade: independente de CPU Problema: desempenho CPU específica: picojava II (somente uma definição) SUN microjava 701 (uma concretização do picojava II)

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