PANORÂMICA. Introdução aos Sistemas Computacionais. Panorâmica e Evolução. Prof. Mário Calha /13

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1 Introdução aos Sistemas Computacionais Panorâmica e Evolução Prof. Mário Calha /13 PANORÂMICA ISC LEI/FCUL Mário Calha 2

2 Sistemas Computacionais num mundo sem a influência da tecnologia informática. ISC LEI/FCUL Mário Calha 3 A revolução computacional Progresso na tecnologia dos computadores Obstruído pela Lei de Moore Torna possível novas aplicações Computadores em automóveis Telefones móveis Projecto do Genoma Humano World Wide Web Motores de busca Computadores em todos os sítios! ISC LEI/FCUL Mário Calha 4

3 Perspectiva genérica ISC LEI/FCUL Mário Calha 5 Classes de computadores Computador de secretária (desktop) Propósito geral, variedade de software Sujeitos a compromisso custo/desempenho Computador servidor Baseados em redes Elevada capacidade, desempenho e fiabilidade Computador embedded Ocultos como componentes de sistemas Restrições mais estritas de consumo, desempenho e custo ISC LEI/FCUL Mário Calha 6

4 O mercado de processadores (milhões de unidades) ISC LEI/FCUL Mário Calha 7 O mercado de dispositivos móveis (milhões de unidades) Source: ISC LEI/FCUL Mário Calha 8

5 Abaixo do nosso programa Software de aplicação Escrito em linguagem de alto-nível Software de sistema Compilador: traduz instruções para código-máquina Sistema Operativo: código de serviço Manuseio de entrada/saída Gestão de memória e armazenamento Escalonamento de tarefas e partilha de recursos Hardware Processador, memória, controladores de E/S ISC LEI/FCUL Mário Calha 9 Níveis de código de programa Linguagem de alto-nível Nível de abstracção mais próximo do domínio do problema Oferece produtividade e portabilidade Linguagem Assembly Representação textual de instruções Representação de Hardware Dígitos binários (bits) Instruções e dados codificados ISC LEI/FCUL Mário Calha 10

6 Componentes de um computador Grande plano Os mesmos componentes para todos os tipos de computador Desktop, servidor, embedded Entrada/saída inclui Dispositivos de interface com o utilizador Monitor, teclado, rato Dispositivos de armazenamento Disco rígido, CD/DVD, flash Adaptadores de rede Para comunicar com outros computadores ISC LEI/FCUL Mário Calha 11 Anatomia de um computador dispositivo de saída cabo de rede dispositivo de entrada dispositivo de entrada ISC LEI/FCUL Mário Calha 12

7 Anatomia de um rato Rato óptico LED ilumina a secretária Câmera de baixa resolução Processador básico de imagem Procura movimento em x,y Botões e roda Substituiu o rato mecânico baseado numa bola rolante ISC LEI/FCUL Mário Calha 13 Através do vidro Écran LCD: elementos de imagem (pixels) Espelha o conteúdo da memória tampão da moldura (frame buffer) ISC LEI/FCUL Mário Calha 14

8 Perspectiva de alto-nível ISC LEI/FCUL Mário Calha 15 Sistema computacional Componentes típicos UCP Cache Memória Armazenamento de massa Periféricos ISC LEI/FCUL Mário Calha 16

9 Abrindo a caixa ISC LEI/FCUL Mário Calha 17 Placa principal Motherboard based on X58 chipset with socket ISC LEI/FCUL Mário Calha 18

10 Processador embalagem (Intel Ivy Bridge) ISC LEI/FCUL Mário Calha 19 Processador - memória ISC LEI/FCUL Mário Calha 20

11 Processador (Intel) ISC LEI/FCUL Mário Calha 21 Processador (IBM/Sony/Toshiba) Cell Broadband Engine Architecture ISC LEI/FCUL Mário Calha 22

12 Processador núcleo Core i7 Nehalem chip, ISC LEI/FCUL Mário Calha 23 Processador organização interna ISC LEI/FCUL Mário Calha 24

13 Abstracções A abstracção ajuda-nos a lidar com a complexidade Esconde o pormenor de baixo-nível Arquitectura do conjunto de instruções (ISA) O interface hardware/software Interface binário para a aplicação O ISA mais o interface de software do sistema Implementação Os pormenores que estão por baixo e a interface ISC LEI/FCUL Mário Calha 25 Um lugar seguro para os dados Memória principal volátil Perde instruções e dados quando desligada Memória secundária não-volátil Disco magnético Memória flash Disco óptico (CDROM, DVD) ISC LEI/FCUL Mário Calha 26

14 Redes Partilha de comunicação e recursos Rede local (LAN): Ethernet Num edifício Rede wide area (WAN): Internet Rede sem-fios: Wifi, Bluetooth ISC LEI/FCUL Mário Calha 27 Entendendo o desempenho Algoritmo Determina o nº de operações executadas Linguagem de programação, compilador, arquitectura Determina o nº de instruções-máquina executadas por operação Processador e memória Determina a velocidade de execução das instruções Sistema de Entrada/Saída (incluindo o SO) Determina a velocidade de execução das instruções de E/S ISC LEI/FCUL Mário Calha 28

15 EVOLUÇÃO ISC LEI/FCUL Mário Calha 29 Evolução histórica Máquinas de calcular Pascal, Leibniz. séc. XVII Máquina analítica - Babbage séc. XIX tabelas científicas: navegação marítima. elementos fundamentais: unidade de cálculo, memória, entrada (cartão perfurado), saída. tecnologicamente irrealizável. ISC LEI/FCUL Mário Calha 30

16 Evolução histórica (2) Calculadora de Atanasoff (1938): 1º dispositivo computacional electrónico. tecnologia de relés. aritmética binária. abordagem modular. condensadores usados como memória: (precursora das actuais memórias dinâmicas) ISC LEI/FCUL Mário Calha 31 Evolução histórica (3) 1ª geração de computadores utilizava válvulas electrónicas: a partir de 1944 vários exemplos (Colossus, ENIAC, ) aritmética decimal (inadequada) conceito de micro-programação. estímulo do interesse pela construção de computadores electrónicos. ISC LEI/FCUL Mário Calha 32

17 Evolução histórica (4) Arquitectura Von Neumann é um modelo para um computador digital que utiliza uma unidade central de processamento (UCP) e uma estrutura única de armazenamento para manter instruções e dados. gargalo de Von Neumann: resulta da reduzida taxa de transferência entre o UCP e a memória ISC LEI/FCUL Mário Calha 33 Evolução histórica (5) Arquitectura de Harvard separa instruções dos dados permite ao UCP ler uma instrução e aceder a dados em simultâneo Arquitectura modificada de Harvard permite que a memória de instruções seja acedida como se fosse de dados processadores actuais, como ARM e x86, implementam esta arquitectura através de uma hierarquia de memória utilizando cache ISC LEI/FCUL Mário Calha 34

18 Evolução histórica (6) 2ª geração de computadores utilizava transístores: a partir de 1955 DEC PDP-8 noção de barramento Burroughs B5000 mecanismos orientados à programação em alto-nível primeira implementação comercial de memória virtual CDC º super-computador bem sucedido IBM 305 RAMAC (HDD), MB, 50 discos de 24, 1Ton ISC LEI/FCUL Mário Calha 35 Evolução histórica (7) 3ª geração de computadores utilizava circuitos integrados: a partir de 1964 IBM 360 Multi-programação Execução concorrente de programas Emulação de máquinas anteriores por micro-programação Compatibilidade entre modelos da mesma família DEC PDP-11 Sucesso enorme na comunidade académica Cray Um dos super-computadores mais conhecidos ISC LEI/FCUL Mário Calha 36

19 Evolução histórica (8) 4ª geração de computadores utiliza microprocessador: a partir de 1975 Intel 8080/8085 (Altair 8800) Unidades disco flexível Sistema operativo CP/M Apple (Macintosh) Tecnologia Motorola Interfaces Gráficas IBM PC Tecnologia Intel Sistema Operativo MS-DOS ISC LEI/FCUL Mário Calha 37 Supercomputador Sequoia - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom Computador massivamente paralelo Nº de núcleos (cores): Processador: 18 core processors based on PowerPC Sistema operativo: Linux Desempenho em vírgula-flutuante: petaflop/s (10 15 of floating point operations per second) Consumo: 7890 kw Ranking no TOP 500 (www.top500.org): 1º em Junho de 2012 Localização: U.S. Department of Energy s Lawrence Livermore National Laboratory, in California ISC LEI/FCUL Mário Calha 38

20 Nº de transístores ISC LEI/FCUL Mário Calha 39 Nº de transístores Lei de Moore Apresentada em 1965 diz que Nº de transístores duplica a cada 24 meses Na verdade não é uma lei! Gordon Moore foi co-fundador da Intel ISC LEI/FCUL Mário Calha 40

21 História da computação ISC LEI/FCUL Mário Calha 41 História da computação (2) ISC LEI/FCUL Mário Calha 42

22 Bibliografia Patterson and Hennessy, Computer Organization and Design: The hardware/software interface, 4 th edition, chapter 1 Computer abstractions and technology Tanenbaum, Structured Computer Organization, 5 th edition, chapter 1 Introduction ISC LEI/FCUL Mário Calha 43

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