ARQUITETURA DE COMPUTADORES. Adão de Melo Neto

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1 ARQUITETURA DE COMPUTADORES Adão de Melo Neto 1

2 TÓPICOS Introdução Memória Secundária Memória Cache Histórico 2

3 INTRODUÇÃO 3

4 INTRODUÇÃO O objetivo da disciplina é oferecer uma discussão sobre os conceitos de arquitetura e também uma discussão minuciosa sobre organização de computadores (teoria e prática) Apresentaremos exemplos do Pentium II (Intel) e Power PC Pentium II possui um conjunto complexo de instruções (CISC) embora possua um núcleo RISC Power PC - computador com um conjunto reduzido de instruções (RISC) 4

5 INTRODUÇÃO Arquitetura de Computadores Atributos de um sistema que são visíveis para o programador, ou seja, atributos que tem impacto direto na execução lógica do computador. Conjunto de instruções Número de bits utilizados para representar vários tipos de dados Mecanismos de entrada e saída Técnicas de endereçamento à memória. Exemplo: se computador deve ou não ter uma instrução de multiplicação Organização de Computadores Incluem detalhes de hardware transparentes (não visíveis) ao programador Sinais de controle interfaces entre o computador e periféricos tecnologia de memória utilizada. Exemplo: Como será implementada a instrução de multiplicação Muitos fabricantes oferecem uma família de modelos de computadores com a mesma arquitetura, mas com diferenças de 5 organização.

6 INTRODUÇÃO Uma arquitetura pode sobreviver por vários anos enquanto sua organização muda com a tecnologia. Exemplo: o sistema 370 da IBM, 1970, possui vários modelos, preserva o investimento em software por parte do. Mantém a mesma arquitetura entre modelos, mas com organização diferente 6

7 EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES 7

8 EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES A evolução dos computadores tem sido caracterizada Aumento da velocidade dos processadores Diminuição do tamanho dos componentes Aumento da capacidade da memória. Aumento da capacidade e velocidade de E/S Aumento da Velocidade dos Processadores Impactado pela redução do tamanho dos componentes dos microprocessadores Redução da distância entre componentes e consequente aumento da velocidade. Impactado pela mudança na organização dos computadores. Uso intensivo de pipeline e técnicas de execução paralela de instruções, assim como técnicas de execução especulativa. 8

9 EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES Necessidade do balanceamento do desempenho dos diversos componentes Velocidade do processador tem aumentado muito mais do que a velocidade de acesso à memória. Técnicas empregadas para compensar este desequilíbrio tais como: Memória cache (visto) Maior largura das vias de dados entre o processador e a memória (barramento de dados). Pastilhas de memória mais inteligentes. 9

10 Geração de Computadores Válvulas transistor Circuito integrado 10

11 1ª Geração: válvulas eletrônicas ( ) 11

12 1ª Geração: válvulas eletrônicas ( ) ENIAC Electronic Numerical Integrator and Computer (Computador e integrador numérico eletrônico) Primeiro computador eletrônico digital de propósito geral Projetado e construído sob a supervisão de John Mauchly e John Presper Eckert da Universidade da Pensilvânia 12

13 1ª Geração: válvulas eletrônicas ( ) ENIAC Respostas as necessidades dos EUA diante da Guerra. Obter tabelas de trajetória e alcance com boa precisão e tempo hábil para novas armas. Era uma máquina decimal e não uma máquina binária. Tinha que ser programado manualmente ligando e desligando chaves e conectando e desconectando chaves (uma tarefa tediosa). Demonstrou seu caráter de computador de propósito geral: Realizou uma série de cálculos complexos para determinar se a bomba H poderia ser construída. Em 1955 foi desativado 13

14 1ª Geração: válvulas eletrônicas ( ) Máquina de Von Newman Conceito de Programa armazenado Atribuído ao Matemático John Von Newman (consultor do ENIAC) e Allan Turing EDVAC ( ) Em 1945 Von Newman propõe a idéia de programa armazenado para um novo computador, o EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) 1946 Von Newmann e seus colegas começaram o projeto de um novo computador de programa armazenado, no Instituto de Estudos Avançados de Princeton. Embora concluído em 1952, constitui-se o protótipo de todos os computadores de propósito geral subsequentes. 14

15 1ª Geração: válvulas eletrônicas ( ) Computadores Comerciais Sperry-Rand Corporation. UNIVAC I foi o primeiro computador comercial de sucesso. Servia tanto para aplicações científicas quanto comerciais. UNIVAC II possuía maior capacidade de memória e maior desempenho. UNIVAC I e II ilustram tendências que permaneceram na indústria de computadores: Desenvolvimento de computadores cada vez mais poderosos e maiores Desenvolvimento de máquinas compatíveis com as anteriores. Máquinas desenvolvidas para UNIVAC I servia para UNIVAC II UNIVAC 1103 Desenvolvimento de computadores da série 1100, linha de computadores de uso mais comum. 15

16 1ª Geração: válvulas eletrônicas ( ) Computadores Comerciais IBM. Lançou em 1953 o primeiro computador comercial programável, o 701, inicialmente voltado para aplicações científicas. Em 1955, introduziu o modelo 702, que possuía várias características de hardware que o tornava adequado para aplicações comerciais. 16

17 2ª Geração: transistores ( ) Os equipamentos eletrônicos eram compostos por elementos discretos transistores, resistores, capacitores... Esses componentes eram soldados a placas de circuitos que eram instalados nos computadores. O processo de fabricação desde o transistor até a placa de circuito era caro e incômodo, o que gerou problemas na indústria de computadores dando origem a uma nova técnica, a invenção do circuito integrado. transistor 17

18 2ª Geração: transistores ( ) Novamente a IBM não foi a primeira a lançar esta tecnologia. A NCR e a RCA foram as pioneiras no lançamento de pequenas máquinas transistorizadas. A IBM seguiu de perto com a série surgiu a Digital Equipment Corporation (DEC) lançando no mesmo ano seu primeiro computador o PDP-1 dando início ao fenômeno do minicomputador que se tornaria tão importante na 3ª geração PDP-1 18

19 2ª Geração: transistores ( ) IBM introdução da série Lançamento do último modelo da Série : O sucessivos membros da linha possuíam maior desempenho e capacidade e/ou custo mais baixo. 19

20 IBM Séries 700 (válvulas) e 7000 (transistores) 20

21 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Os equipamentos eletrônicos eram compostos por elementos discretos transistores, resistores, capacitores... Esses componentes eram soldados a placas de circuitos que eram instalados nos computadores. O processo de fabricação desde o transistor até a placa de circuito era caro e incômodo, o que gerou problemas na indústria de computadores dando origem a uma nova técnica, a invenção do circuito integrado. 21

22 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Os circuito integrado explora o fato de que componentes como transistores, resistores e condutores podem ser fabricados a partir de um único semicondutor, o silício. É possível produzir simultaneamente milhares de transistores em uma única pastilha de silício. Esses transistores podem ser conectados entre si, por um processo de metalização para formar circuitos 22

23 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Lei de Moore Proposta por Gordon Moore em Moore observou que o número de transistores que podiam ser impressos em uma única pastilha dobrava a cada ano e previu corretamente que este crescimento permaneceria em um futuro próximo. 23

24 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Consequências da Lei de Moore O custo da implementação lógica de um computador e seu circuito de memória caiu dramaticamente. Devido a proximidade das portas lógicas e células de memória, o caminho elétrico entre elas encurtava, aumentando a velocidade de operação. O computador ficou cada vez menor Grande redução no consumo de energia e na necessidade de resfriamento do equipamento. Com um maior número de circuito em cada pastilha, o número de conexões entre pastilhas é muito menor. 24

25 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Sistema 360 da IBM Em 1964 a IBM possuía um forte controle do mercado com sua série de máquinas Em 1964, ela IBM anuncia o sistema 360 uma nova família de computadores que era incompatível com as máquinas IBM mais antigas, pois era uma sistema capaz de evoluir com a nova tecnologia de circuitos integrados. O 360 foi o sucesso da década e solidificou a IBM como a maior fabricante e vendedor de computadores com quase 70% do mercado. A série IBM 360 permanece até hoje com algumas modificações e extensões como arquitetura dos computadores de grande porte da IBM 25

26 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Sistema 360 da IBM Os modelos eram compatíveis entre si, pois um programa escrito para um modelo poderia ser executado por outro modelo. Características de uma família de computadores Conjunto de instruções idênticos ou semelhantes Sistema operacional idêntico ou semelhante. Velocidade crescente Número crescente de portas de entrada e saída (E/S) Capacidade de memória crescente Custo crescente 26

27 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Sistema 360 da IBM (Características Principais) 27

28 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) PDP-8 da DEC O PDP-8 (denominado minicomputador) era pequeno. Custo baixo = $ ,00. Abriu o conceito de minicomputador. Utilizava a estrutura de barramento, universal em microcomputadores. 28

29 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) PDP-8 da DEC 29

30 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Evolução dos Computadores da Intel A Intel, permanece, há várias décadas como o maior fabricante de microprocessadores. Constitui um bom indicador da evolução da tecnologia de computadores de um modo geral. Intel 4004,1971 Primeira pastilha a conter todos componentes de uma UCP: nasceu o microprocessador. Intel 8008,1972 Primeiro microprocessador de 8 bits e era quase duas vezes mais complexo que o Intel Intel 8080,1974 Foi o primeiro processador de propósito geral fabricado no mundo, com transferência de dados à memória de 8 bits. Foi usado no 1º computador pessoal o Altair 30

31 Evolução do PENTIUM 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Evolução dos Computadores da Intel Intel 8086 Microprocessador de 16 bits de propósito geral. Registradores e barramentos com maior número de bits. Possuía memória cache. Intel Possibilitava endereçar uma memória de 16 Mbytes ( = 2 24 bits), ou seja, barramento de endereços com 24 bits. Intel 80386,1981 Microprocessador de 32 bits de propósito geral. Foi o primeiro multiprocessador da Intel a oferece suporte à multitarefa. Intel Introduziu uma tecnologia de cache muito mais elaborada e poderosa e um pipeline de instruções sofisticado. Embutia um co-processador aritmético de ponto flutuante. 31

32 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Evolução dos Computadores da Intel Barramento de dados Memória endereçável = define a largura do barramento de endereços 32

33 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Evolução dos Computadores da Intel Barramento de dados Memória endereçável = define a largura do barramento de endereços 33

34 Evolução do PENTIUM 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Evolução dos Computadores da Intel A Intel, permanece, há várias décadas como o maior fabricante de microprocessadores e constitui um bom indicador da evolução da tecnologia de computadores de um modo geral. Intel Pentium Introduziu a tecnologia superescalar, que permite a execução de múltiplas instruções ao mesmo tempo. Intel Pentium Pro Deu continuidade à utilização da organização superescalar. Intel Pentium II Incorporou a tecnologia MMX, projetada para processar de maneira eficaz áudio, vídeo e dados gráficos. Intel Pentium III Incorpora instruções de ponto flutuante adicionais para apoiar software gráfico em 3D. 34

35 3ª Geração: circuitos integrados (1965 dias atuais) Evolução dos Computadores da Intel Barramento de dados Memória endereçável = define a largura do barramento de endereços 35

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