ARQUITECTURA COMPUTADOR

Transcrição

1 ARQUITECTURA COMPUTADOR DO Msc. José Luís Sambo 1

2 O que é um computador? O QUE É ARQUITECTURA Computer Compute Calculate Usualmente um computador é um dispositivo que efectua operações artiméticas em altas velocidades. Uma máquina que lê dados, efectua cálculos e fornece resultados

3 Processos básicos do computador Entrada de dados Ler ou receber os valores iniciais ou constantes Processamento Efectuar o cálculo Saída de dados Fornecer os resultados obtidos Entrada Processamento Saida

4 Características de um computador Automático Velocidade Funciona por si mesmo sem a intervenção humana É muito rápido, e pode efectuar milhões de operações. Precisão O computador processa varias vezes da mesma forma Diligência O compudador é isento de cansanço. Versatilidade Capacidade de memorização No I.Q O computador pode realizar diferentes tarrefas uma após a outra Sem sentimentos Capacidade de reter muitos dados através da memória secondária O computador não é um objecto mágico

5 Exemplos de processos básicos efectuados por um computador Problema A Calcular o valor da operação 12 x

6 Classificação do computador por tipo De acordo com o tipo de dado manipulado, podemos ter o seguintes tipos de computador: Computador digital Computador analógico Computador híbrido

7 Computador Digital Manipula dados formados através de um processo de contagem de valor unitário chamado dígito

8 Computador analógico Manipula dados obtidos por um o processo comparação ( analogia ) de medidas de fenómenos físicos. O computador efectua operações com correntes eléctricas obtidas no processo de medida de pressão atmosférica, temperatura, velocidade, etc. Computador híbrido Possui uma combinação dos dois já citados

9 Classificação do computador por tamanho Existe uma classificação tradicional Microcomputador Minicomputador Computador de grande porte Que actualmente não é realista em função das modificações tecnológicas em relação às características de um determinado tamanho

10 Introdução aos Computadores Evolução histórica da Antiguidade até ao Séc XX 1ª Geração ( ) 2ª Geração ( ) 3ª Geração ( ) 4ª Geração (1971-presente) 5ª Geração (presente-futuro)

11 Desde há milénios que o Homem utiliza os mais diversos dispositivos para o auxiliar no Cálculo Numérico, particularmente na manutenção de inventários (nº de animais, quantidade de comida) ou nas trocas comerciais

12 São exemplos os entalhes no cajado, utilizados pelos pastores para contar os animais dos seus rebanhos, e o Ábaco (inventado há 5000 anos na Ásia), ainda hoje comum nalguns países desse continente

13 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. Em 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

14 O Pascaline executava adições até 8 dígitos

15 Em 1694, o matemático e filósofo Gottfried Leibniz (alemão) melhorou o Pascaline criando uma máquina que também multiplicava

16 Em 1820, o francês Charles Colmar inventou uma máquina (arithometer) capaz de executar as quatro operações aritmétricas. O arithometer foi largamente usado até à 1ª Guerra Mundial ( ). Apesar de outros inventores lhe sucederem, refinando o seu invento, Colmar iniciou, juntamente com Pascal e Leibniz, a era da Computação Mecânica

17 No entanto, o verdadeiro início dos computadores que hoje conhecemos devese ao professor de matemática inglês Charles Babbage. Foi ele quem primeiro descobriu que as máquinas podiam executar operações repetitivas (automação)

18 Charles Babbage inventou em 1822 uma máquina para resolver equações diferenciais. Esta máquina, Difference Engine, alimentada por vapor e grande como uma locomotiva, podia armazenar um programa, efectuar cálculos e imprimir os resultados automaticamente

19 Depois de dedicar 10 anos a desenvolver a difference engine, Babbage começou a trabalhar naquele que é considerado o primeiro computador, o Analytical Engine componentes, input na forma de cartões perfurados (invenção de 1801 do francês Jacquard), capacidade de armazenamento de 1000 nºs com 50 dígitos

20 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 avançada linguagem de programação ADA

21 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. Tinha metade do comprimento de um campo de futebol e cerca de 800 km de fios

22 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

23 Outro computador resultante dos esforços de guerra da 2ª Guerra Mundial surge em 1946, o ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Este computador resulta de uma parceria entre o governo dos EUA e a Universidade da Pensilvânia. Mauchly & Eckert

24 1ª Geração dos computadores modernos ( ) O ENIAC tinha tubos de vácuo, resistências e 5 milhões de juntas soldadas. Consumia 160 kw de energia eléctrica

25 Introdução aos Computadores John von Neumann, da Universidade da Pensilvânia, lança em 1945 o conceito de memória de computador para armazenamento de programas e dados bem como a transferência de controlo condicional. Estes coneitos predomina nos próximos 40 anos. Neumann e a sua equipa criam o EDVAC (Electronic Discrte Variable Automatic Computer)

26 A 1ª geração de computadores era caracterizada por cada computador ser programado para uma tarefa específica. Cada computador tinha uma linguagem binária diferente (código máquina). Outras características destes computadores eram a utilização de tubos de vácuo (responsáveis pelas enormes dimensões) e os tambores magnéticos para armazenamento de dados

27 2ª Geração dos computadores modernos ( ) Em 1948, a invenção do transistor contribui para uma significativa mudança nos computadores. Desde esta data que os computadores vêm decrescendo em dimensão. Em 1956 o transistor começa a ser montado nos computadores

28 2ª Geração dos computadores modernos ( ) A segunda geração de computadores substitui a linguagem máquina com o assembly, que já permitia a utilização de códigos abreviados em substituição dos longos e difíceis códigos binários

29 2ª Geração dos computadores modernos ( ) No início dos anos 60 surgem os primeiros computadores comercializados (Burroughs, Control Data, IBM, ) com sucesso em áreas como as universidades, negócios e governos

30 Introdução aos Computadores Evolução histórica 2ª Geração dos computadores modernos ( ) Estes computadores continham transistores em substituição dos tubos de vácuo. Também possuíam os componentes que hoje associamos aos computadores modernos: impressoras, fitas e discos magnéticos para armazenamento, memória e programas armazenados

31 Introdução aos Computadores Evolução histórica 2ª Geração dos computadores modernos ( ) Um importante exemplo destes computadores era o IBM 1401 que foi o mais popular no mundo dos negócios. Este computador, e o IBM 1620 (para escolas e universidades), foram os primeiros com a fugir á tendência da época para os supercomputadores

32 Introdução aos Computadores Evolução histórica 2ª Geração dos computadores modernos ( ) Foi o armazenamento do programa em memória e a linguagem de programação que deu aos computadores a flexibilidade para serem suficientemente baratos e eficazes para terem aplicação comercial

33 Introdução aos Computadores Evolução histórica 2ª Geração dos computadores modernos ( ) John Backus (IBM) 1957 É durante este período que surgem as linguagens de alto nível, muito parecidas com a linguagem humana, Fortran (Formula Translator), 1957, e Cobol (Common Business-Oriented Language), É com estas linguagens que começa toda a indústria de software

34 Introdução aos Computadores Evolução histórica 3ª Geração dos computadores modernos ( )

35 Introdução aos Computadores Evolução histórica 3ª Geração dos computadores modernos ( ) Mas o transistor aquecia o que provocava muitas avarias. É então que surge o quartzo e o silício. Jack Kilby da Texas Instruments desenvolve o conceito de circuito integrado em 1958 e a partir daí começa a miniaturização de componentes em chips

36 Introdução aos Computadores Evolução histórica 3ª Geração dos computadores modernos ( ) Como resultado, os computadores são cada vez mais pequenos. Também marca esta geração o desenvolvimento do chamado sistema operativo (programa central que controla as tarefas mais básicas do computador deixando aos programas o trabalho mais específico)

37 Introdução aos Computadores Evolução histórica 3ª Geração dos computadores modernos ( ) Em 1963 é criado o ASCII (American Standard Code for Information Interchange) com o objectivo de normalizar e tornar possível a comunicação entre computadores

38 Introdução aos Computadores Evolução histórica 3ª Geração dos computadores modernos ( ) Em 1964 é criada por John Kemeny e Tom Kurtz a linguagem de programação BASIC, que teve uma extraordinária aceitação pelos jovens, e a IBM anuncia o System/360 como a sua primeira família de computadores compatíveis

39 Introdução aos Computadores Evolução histórica 3ª Geração dos computadores modernos ( ) Em 1968 Edsger Dijkstra lança a primeira pedra na fundação do que viria a ser a Programação Estruturada ao escrever uma carta ao editor entitulada GOTO statement considered harmful. O início da criação de programas mais fiáveis e de mais fácil manutenção estava lançado

40 Introdução aos Computadores Evolução histórica 3ª Geração dos computadores modernos ( ) Em 1969 começa o trabalho na ARPAnet que viria a ser o embrião da Internet. Em 1971 é criada a Intel Corporation

41 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) Depois dos circuitos integrados só restava diminuir a dimensão do computador. Primeiro apareceram circuitos integrados com centenas de componentes num chip. Nos anos 80 já se conseguiam centenas de milhares e agora já vão em milhões de componentes num chip

42 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) É na década de 70 que os fabricantes de computadores (Commodore, Radio Shack e Apple) decidem levar estes ao consumo doméstico. Para isso desenvolvem-se aplicações especialmente de processamento de texto e folhas de cálculo

43 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) Em 1975 a IBM lança o seu primeiro Personal Computer,o 5100, para uso em casa, escritório e escola. Aparecem então no mercado os clones do IBM PC cuja garantia de qualidade era anunciada pela frase IBM compatível

44 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) Jobs & Wozniak Em competição directa com a IBM aparece em 1976 o Apple II que revoluciona o mercado ao introduzir pela primeira vez um sistema operativo com um interface amigável baseado no conceito do rato e da janelas (windows). Neste mesmo ano a Microsoft e a Apple são fundadas

45 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) Em 1981 a IBM lança no mercado o IBM PC com um sistema operativo, DOS, completamente diferente do até então usado por todos, o CP/M. Em 1982 a Times elege o computador o Homem do Ano. Desde esse ano o computador passa a ser ferramenta indispensável na indústria do cinema

46 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) A utilização dos computadores pessoais tem um crescimento notável, não mais parando até hoje: milhões de PC s em uso milhões milhões

47 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) O tamanho também não parou de diminuir, primeiro os desktop e os tower, depois os laptop e agora os palmtop

48 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) A utilização dos computadores pessoais generaliza-se começando a substituir os grandes computadores centrais (Mainframes) e os minicomputadores. Os computadores começam a ser ligados entre si formando redes, desenvolvem-se protocolos de comunicação entre PC s e o software sofre um aumento fantástico

49 Introdução aos Computadores Evolução histórica 4ª Geração dos computadores modernos (1971-presente) Os anos 90 marcam o aparecimento da Internet como rede global. A web, o , o protocolo de transferência de ficheiros, o acesso remoto por telnet, os newsgroups e a comunicação de computadores por TCP/IP são alguns dos muitos serviços que passam a ter utilização mundial e que revolucionam a forma de comunicação, de comércio, de educação e de informação

50 Introdução aos Computadores Evolução histórica 5ª Geração dos computadores modernos (presente-futuro)

51 Introdução aos Computadores Evolução histórica 5ª Geração dos computadores modernos (presente-futuro) O futuro já se antevê no presente com a evolução espectacular dos microprocessadores (processamento paralelo, velocidade de processamento) liderados pela Intel, com a evolução do sistema operativo Windows com liderança incontestável da Microsoft e com a evolução das telecomunicações (supercondutores, fibra óptica)

52 Evolução histórica 5ª Geração dos computadores modernos (presente-futuro) O computador, provavelmente, deixará de se chamar computador uma vez que cada vez mais integra funções que antes eram desempenhadas por diferentes equipamentos (fax, televisão, vídeo, telefone) passando a ser mais uma consola de comunicações, de trabalho e de lazer

53 Estrutura & Organização do Computador A arquitectura básica de um computador moderno segue ainda hoje de forma geral os conceitos estabelecidos pelo Professor da Universiade de Princeton, John Von Neumann ( ), um dos construtores do EDVAC

54 Estrutura Básica do Computador

55 Estrutura básica do Computador Von Neumann propôs construir computadores que: 1. Codificassem instruções que pudessem ser armazenadas na memória e sugeriu que usassem cadeias de uns e zeros (binário) para codificá-los; 2. Armazenassem na memória as instruções e todas as informações que fossem necessárias para a execução da tarefa desejada; 3. Ao processarem o programa, as instruções fossem buscadas directamente na memória. Este é o conceito de Programa Armazenado

56 = Word Bit Byte

57 Os circuitos electrónicos que formam os computadores digitais actuais são capazes de distinguir apenas dois níveis de tensão. Estes sinais eléctricos são tensões que assumem dois diferentes valores: Um valor positivo (hoje, nos computadores pessoais, cerca de +3V - três volts positivos) para representar o valor binário 1 e Um valor aproximado a 0 V (zero volt) para representar o valor binário 0. Na verdade, estes valores não são absolutos, e sim faixas de valores, com uma margem de tolerância (entre +2.5 e +3.5 V, representando o valor binário 1, e entre 0 e +0.5 V representando o valor binário 0)

58 A lógica que permite aos computadores operarem baseados nestes dois valores chama-se Álgebra de Boole, em homenagem ao matemático inglês George Boole ( ). Cada um destes elementos que constituem uma informação no sistema binário chama-se BIT. BIT é uma contração de BInary DigiT e representa um dos valores possíveis em binário. 0 ou 1. O conjunto de 8 bits constitui um Byte (é bom lembrar que 2 3 = 8)

59 Em um Byte, há 2 8 = 256 combinações, portanto pode-se representar 256 diferentes valores, desde até O termo byte foi inventado pela IBM. Normalmente os computadores trabalham a nível de Word (palavra), ainda que hajam outros que o fazem a nível de byte e outros de dupla palavra (32 bits) ou até muito mais do isso. Em informática, a expressão kilo (abreviada por k) equivale 2 10, ou seja, Kb equivale a 2 10 bits, ou seja, 1024 bits 1 Kilobyte (1 KB) equivale a 2 10 bytes, ou seja, 1024 bytes ou ainda bits

60 a informação em computadores è vulgarmente quantificada através dos seguintes conceitos: BIT: é o nome utilizado para designar a unidade mínima de informação num computador, corresponde a um dos dígitos 0 ou 1. BYTE: é uma sequência de oito bits e, è a unidade utilizada como base de quantificação da informação, corresponde a um caracter. WORD: é um conjunto de 2 bytes (16 bits). LONGWORD: é um conjunto de 4 bytes (32 bits)

61 Dessas a unidade universalmente utilizada é o Byte, cujos múltiplos são: K Kilo 1KB Bytes M Mega 1MB bytes G Giga 1GB KB x 1MB = bytes T Tera 1TB KB x 1 GB = bytes P Peta 1PB Teras

62 WORD (Palavra) Unidade de Informação WORD é a unidade de informação do sistema UCP / MP A conceituação mais usada (IBM) define WORD (palavra) como sendo a capacidade de manipulação de bits do núcleo do computador (CPU MP). Pressupõe-se aqui que todos os elementos do núcleo do computador ( o que inclui o tamanho da UAL, do acumulador e registadores gerais da CPU e o barramento de dados) tenham a mesma largura (processem simultaneamente o mesmo número de bits), o que nem sempre acontece

63 O termo célula é usada para definir a unidade de armazenamento (o tamanho de células de memória) e o termo palavra para definir a unidade de transferência e processamento, significando na prática quantos bits o computador movimenta e processa em cada operação. Não confundir: Célula não é sinónimo de palavra, embora em algumas máquinas a palavra seja igual à célula. A palavra de um computador pode ter 1 byte (por exemplo, 8080), 2 bytes (por exemplo, 80286), 4 bytes (por exemplo, 486, o Pentium, e muitos mainframes IBM) e mesmo 8 bytes (por exemplo, o Alpha da DEC)

64 Representação de Dados 1. Em um computador são armazenados e processados apenas Dados e Instruções. 2. Um programa de computador è formado por uma sequência de instruções que operam sobre um conjunto de dados (os dados são os operandos das instruções). 3. Um computador executa operações sobre dados numéricos ou alfanuméricos. 4. Um computador somente opera sobre valores representados em notação binária, isto è, somente entende Bits uns e zeros. 5. Os dados precisam ser representados no computador (na memória e no processador) sempre através de Bits

65 Significa: é preciso definir uma forma de representar os dados, codificados em uns e zeros, que possam ser interpretados pelo computador, de forma correcta e eficiente. Tipos de Dados Um programa (sequência de instruções) deverá manipular diferentes tipos de dados. 1. Numéricos a) Ponto fixo (números inteiros) b) Ponto flutuante (números reais ou fraccionários) c) BCD (representação decimal codificada em binário)