Introdução aos Computadores

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1 Introdução aos Computadores Baseado em: Hennessy, Patterson. Computer Organization and Design the Hardware/Software Interface, Morgan Kaufmann Publishers, 1994 William Stallings, Computer Organization and Architecture, Prentice Hall, 1996 José Carlos Alves FEUP/INESC v 1.1, Setembro de 1998 Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 1 Índice Gerações de computadores, história e características Representação de dados Representação de programas Níveis de abstracção Organização Periféricos de E/S Memória primária Processador ALU Memória secundária Redes Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 2 1

2 Gerações de Computadores Geração Datas Tecnologia Características válvulas computadores electrónicos transistores computadores baratos circuitos integrados minicomputadores ? LSI, VLSI PCs e workstations, microprocessadores computadores de secretária 5 199?-20?? ULSI processadores paralelos e computadores portáteis LSI - Large Scale Integration - 10,000 transistores VLSI - Very Large Scale Integration - 1,000,000 transistores ULSI - Ultra Large Scale Integration - 100,000,000 transistores Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 3 ENIAC, o primeiro computador electrónico ENIAC - Electronic Numerical Integrator And Computer desenvolvido em 1943 (início) para calcular trajectórias de projécteis aplicação do BRL (Ballistics Research Laboratory, do exército dos EUA) 200 pessoas com calculadoras de secretária a calcular tabelas para novas armas 1 pessoa várias horas ou dias para efectuar os cálculos para uma arma terminado em 1946 (tarde demais), foi usado no desenvolvimento da bomba H características 30 toneladas, 1,600 m 2 18,000 válvulas 140 KW 5000 adições por segundo memória: 20 acumuladores, cada um composto por 10 dígitos decimais um dígito representado por 10 válvulas, uma só ligada de cada vez programado manualmente por interruptores e ligando ou desligando cabos Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 4 2

3 História computadores mecânicos ábaco (2500 AC); círculos de proporção (1633) ( régua de cálculo) calculadora de discos de Pascal (1642) máquina de diferenças (Babbage, 1822) máquina analítica (Babbage, 1833) (programada por Ada Lovelace) tabuladora Hollerith (1890) (leitor de cartões perfurados) Harvard MARK I (Aiken, 1944) (hardware electromecânico, aritmética decimal, leitor de fita perfurada com instruções A1 A2 OP A1 A1 OP A2) 1ª geração ( ) (válvulas) UNIVAC 1 (1951) IBM 793 (1953) programação em linguagem máquina; sem S.O.; memória reduzida 2ª geração ( ) (transistores) IBM 7090 memória de ferrite Fortran, COBOL S.O. Multiprogramação (timesharing) Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 5 História (cont.) 3ª geração ( ) (circuitos integrados) IBM System/360 (mainframe); Cyber CDC (supercomputador); DEC PDP-8 (mini) memória de semicondutores microprogramação paralelismo e concorrência redes; S.O. eficientes BASIC, PASCAL 4ª geração (1972) (microprocessador) INTEL 4004, 80xxx, MOTOROLA 680xx, IBM 3090 tecnologia VLSI micros; supercomputadores (CRAY); workstations (terminais gráficos) VMS, UNIX, CP/M, MS-DOS floppies, discos winchester 5ª geração (actual) paralelismo, pipelining, super-escalares memória associativa, discos ópticos Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 6 3

4 Características de Computadores Comerciais tamanho potência desempenho memória $/desemp. preço Ano Nome m2 watts somas/s KB preço vs UNIVAC UNIVAC , $1,000,000 1 $4,533, IBM S , $1,000, $3,756, PDP ,000 4 $16,000 10,855 $59, Cray ,000,000 32,768 $4,000,000 21,842 $7,675, IBM-PC , $3,000 42,105 $3, HP ,000,000 16,384 $7,400 3,556,188 $7,400 hoje PC 0.2 <400 >100,000,000 >65,536 <$1,000 >52,630,000 $600 Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 7 A Revolução Continua ATMs computadores na parede de um banco a distribuir e a recolher dinheiro (PCs) difícil nos anos 50 quando custava $500,000 e era maior do que um carro Computadores em automóveis controlo do motor reduz o consumo e a poluição, obrigatório nos carros de hoje ABS, air-bag, suspensão activa,sistemas de navegação possibilitado pela evolução dramática da microelectrónica Laptops computadores pessoais portáteis, trabalho em viagens e nas escolas Projecto human genome o custo dos computadores usados no mapeamento de sequências da DNA humano eleva-se a centenas de milhões de dólares nos anos 90 Aplicações de simulação avaliar com rigor antes de fabricar: automóveis, aviões, barcos, circuitos, de cada vez que o custo melhora num factor de 10 multiplicam-se as novas oportunidades Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 8 4

5 Funções Processamento de dados operações aritméticas e lógicas comparações e pesquisas centenas de milhões de operações por segundo (MIPs, MOPs, MFLOPs) Armazenamento de dados grande capacidade de armazenar dados de forma permanente dezenas de Gigabytes (1 Giga = 1,073,741,824 caracteres) Movimentação de dados entre diferentes tipos de unidades de armazenamento entre unidades periféricas dezenas ou centenas de Mbytes/segundo (vídeo@30 fps >67 Mbytes/s) Controlo das funções anteriores Sistema Operativo programação de aplicações Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 9 Representação de Dados (num computador digital) Representação binária de informação apenas dois estados: ligado ou desligado simplificação dos circuitos electrónicos, imunidade ao ruído Dispositivo elementar: transistor como um interruptor controlado por electricidade operadores lógicos elementares: AND, OR, NOT rapidez é condicionada pelo tempo necessário para comutar entre 0 e 1 a 450 MHZ um circuito lógico tem de trocar de estado em menos de 0.22 ns tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) baixo consumo de energia, cresce com a frequência de trabalho tipicamente AND e OR = 4 transistores, NOT = 2 transistores Microprocessadores actuais têm vários NAND (NOT-AND) milhões de transistores num único chip símbolo lógico expressão lógica (Q1 1989) Pentium 3.1 (Q1 1993) Y = A & B A Pentium II 5.5 (Q3 1995) circuito CMOS B Vdd Vss Y Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 10 5

6 Representação de dados (cont.) num computador digital toda a informação é codificada em binário números em base 2: 0 e 1, binary digits ou bits representação de valores numéricos (inteiros) base 2 (binário): 11 = 0x2 4 +1x2 3 +0x2 2 +1x2 1 +1x base 8 (octal): 11 = 0x x8 1 +3x8 0 0B base 16 (hexadecimal): 11 = 0x x16 0 instruções; colecções de bits (adicionar 2 números) linguagem assembly ADD A,B (adicionar 2 números) caracteres ( A em ASCII) ( A em UNICODE) A=10,,F=15 um byte 8 bits: representa um caracter, inteiros entre 0 e 255, inteiros entre -128 e +127 Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 11 Representação de Programas linguagem de alto nível (texto) swap(int v[], int k); { int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } Compilador linguagem assembly (texto) swap: multi $2, $5,4 add $2, $4,$2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 Assembler linguagem máquina (binário) Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 12 6

7 Estrutura em Camadas utilizador software software de aplicação software de sistema software de aplicação software de sistema hardware LaTeX compiladores sistema operativo assembler gcc memória virtual sistema de ficheiros as drivers de E/S Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 13 Organização do Computador controlo CPU MEMÓRIA UC PORTAS de E/S ENTRADA ALU FPU SAÍDA dados barramentos Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 14 7

8 Periféricos de E/S dispositivos de entrada teclado rato scanner OCR - optical character recognition dispositivos de saída CRT - o mais comum refresh rate de 30 a 75 Hz a imagem é composta de uma matriz de pixel representados num bit map 1 bit por pixel para P&B; 8 bits para gray-scale e 3x8 bits para côr (RGB) frame buffer : memória que contém o bit map impressoras plotters (em desuso, substituídos por impressoras laser, jacto-de-tinta) Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 15 Memória Primária (RAM) implementada por circuitos integrados volátil (geralmente) para programas em execução pelo CPU e os seus dados DRAM 50 a 150 nanosegundos de tempo de acesso memória cache mais rápida (7 ns), pode ser interna ao CPU associativa aproveita a localidade dos dados hierarquia de memória 10 registos cache 10 3 memória principal 10 6 cache de disco 10 6 disco magnético 10 9 banda magnética disco óptico 10 9 tempo de acesso crescente unidades de capacidade Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 16 8

9 Capacidade dos Chips de Memória M M capacidade (Kbit) k 1M k 16k Ano de introdução Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 17 Processador Unidade de execução do computador Segue à letra as instruções do programa (o computador nunca se engana!) Instruções conjunto limitado de operações elementares adicionar, testar, comunicar com dispositivos de E/S, mover,... Unidade de controlo Unidade aritmética e lógica, unidade de vírgula flutuante Arquitectura (instruction set architecture) inclui tudo o que os programadores necessitam saber para construir programas em linguagem máquina: conjunto de instruções, registos, modos de funcionamento constitui uma abstracção das camadas inferiores uma implementação da arquitectura é hardware que obedece à abstracção Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 18 9

10 Execução de programas Instruções executadas em sequência, uma (ou mais) de cada vez Execução de uma instrução Pipelining aumento do desempenho fetch fetch depende da sequência de instruções decode decode fetch Execution Execution decode Data memory Data memory Execution Write back Write back Data memory fetch Write back decode obriga a ordenar as instruções (scheduling) fetch decode Execution Data memory Write back Interrupções da execução sequencial de um programa provocadas por acções exteriores ao CPU (utilizador, periféricos, relógio) guarda o ambiente de execução (registos do CPU, regiões da memória) executa a rotina de serviço da interrupção para atender ao pedido retorna ao programa original permite que um CPU realize duas ou mais tarefas em simultâneo 3 tarefas executadas em paralelo Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 19 ALU - Arithmetic Logic Unit responsável pela execução de operações aritméticas e lógicas operações básicas: aritmética inteira, operações lógicas, manipulação de bits FPU - Floating-point unit: unidade de cálculo para números em vírgula flutuante antigamente suportada por co-processadores (chips externos ao CPU) versões mais baratas faziam as contas FP por software actualmente a FPU é geralmente integrada no CPU representação de quantidades numéricas (inteiros, vírgula fixa) binário, complemento para dois BCD (binary-coded decimal) 1345 = (2 bytes) = (2 bytes) 1345 = (4 bytes) packed BCD 1345 = (2 bytes) decimal em ASCII 1345 = (4 bytes) representação de números em vírgula flutuante = x = sinal expoente mantissa Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 20 10

11 Memória Secundária Discos não volátil, grande capacidade de armazenamento desde 1965: primeiros discos do tamanho de mesas de café, poucos MBytes rodam a rpm pratos de metal cobertos de material magnético cada lado tem várias pistas concêntricas, cada pista vários sectores um sector é a unidade mínima de informação lida ou escrita cabeça de leitura uma móvel para todas as pistas ou uma fixa para cada pista voa sobre a superfície do disco (Winchester) ou toca-a (floppies) 5 a 20 milisegundos de tempo de acesso (seek time + rotational latency) custo reduzido (gigabytes por dezenas de contos) recentemente: ópticos regraváveis, discos magneto-opticos, CD-ROM, DVD Bandas magnéticas acesso sequencial, lento hoje usada exclusivamente para backups (cópias de segurança) Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 21 Barramentos interligam componentes transportam dados, endereços ou sinais de controlo Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 22 11

12 Redes comunicação entre utilizadores partilha de recursos acesso remoto Ethernet até 1 km no máximo 10 MB/s LAN Internet milhões de computadores interligados entre si na Terra Introdução aos Computadores (v1.1, Set. 1998) 23 12