ARQUITETURA DE COMPUTADORES

Transcrição

1 ARQUITETURA DE COMPUTADORES Introdução Prof Daves Martins Msc Computação de Alto Desempenho

2 Avaliação Duas provas: P1 e P2. Vários trabalhos: T1 Lista de Exercícios: (L1)

3 Considerações Importantes Disciplina 72h/a Faltas - 75% - 18 faltas;

4 Referências Bibliográficas

5 Referências Bibliográficas

6 Objetivos 1/2 Compreender o funcionamento básico de um computador; Entender o funcionamento do hardware de um sistema computacional; Compreender os principais conceitos de lógica digital; Descrever as funções e analisar o funcionamento dos componentes básicos de sistemas computacionais.

7 Objetivos - 2/2 Entender o funcionamento dos vários módulos que compõem um sistema computacional; Desenvolver uma visão crítica sobre os requisitos de desempenho associados a um sistema computacional; Conhecer o impacto de diferentes mecanismos e estruturas no desempenho de um sistema computacional em diferentes aplicações.

8 Ementa - 1/3 Processamento de dados; Sistemas de computação; Sistemas numéricos; Aritmética binária Memórias; Unidade central de processamento; E/S; Organização da memória;

9 Ementa - 2/3 Modos de endereçamento; Conjunto de instruções; Mecanismos de interrupção e exceção Barramento; Comunicações; Interfaces e periféricos; Arquiteturas RISC e CISC; Multiprocessadores;

10 Ementa - 3/3 Multicomputadores; Pipeline; Processadores superscalares e superpipeline Arquitetura paralela;

11 Conceitos básicos No dicionário encontramos: " Computador, s.m. - aquele que faz cômputos ou que calcula; máquina à base de circuitos eletrônicos que efetua grandes operações e cálculos gerais, de maneira ultra rápida. "; A disciplina de Organização de Computadores trata da estrutura interna que não é visível para o programador (ex. processador, tamanho da memória física).

12 Conceitos básicos Pense nisso: mais de 90% dos sistemas computacionais são diferentes do modelo que entendemos por computador: gabinete, teclado, monitor.

13 Conceitos básicos

14 Veja os vídeos: Recomendo a leitura: Vídeo aula putacao/eaddcc007/unidade1/unidade1.xml

15 Geração Zero Computadores Mecânicos ( ) A Primeira Geração Válvulas ( ) A Segunda Geração Transistores ( ) A Terceira Geração Circuitos Integrados ( ) A Quarta Geração Integração de Circuitos em Escala Muito Alta (1980-?)

16 Segunda Zero Computadores Mecânicos ( )

17 Primeiro instrumento moderno de calcular uma somadora (Máquina de Pascal) construído por Blaise Pascal (físico, matemático e filósofo francês, ). Dispositivo inteiramente mecânico, usava várias engrenagens, acionado por uma alavanca. Pascal construiu a máquina com 19 anos.

18 Gottfried Wilhelm Leibnitz (filósofo e um dos formuladores do cálculo integral, ) projetou a primeira máquina de multiplicação e divisão, além de soma e subtração. Equivalente às calculadoras de bolso que efetuam as quatro operações.

19 Charles Babbage (matemático, ) inventa a Máquina Diferencial, utilizando os cartões de Jacquard. Funções trigonométricas e logaritmos eram calculados na máquina. Outra invenção - Velocímetro.

20 Máquina Diferencial cont. Idealizada para construir tabelas de números para navegação naval. Construída para executar um único algoritmo método das diferenças finitas usando polinômios. Método para disponibilizar informações na saída resultados perfurados em um prato de cobre.

21 Máquina Diferencial cont Babbage inventou a precursora dos computadores digitais de hoje, a Máquina Analítica. Usava a base 10, máquina mecânica, trabalhava a vapor. Programação sequencial de operações, um procedimento que hoje chamamos de sistema operacional. Por seu trabalho na máquina analítica, Babbage é considerado um dos pioneiros dos computadores. As máquinas de Babbage nunca foram construídas

22 Máquina Analítica de Babbage - Anteviu os passos que até hoje são a base do funcionamento de um computador, possuindo 4 componentes: Unidade de entrada - alimentação de dados, através de cartões perfurados; Unidade de saída saída impressa e perfurada em cartões; Unidade de memória 1000 palavras de 50 dígitos DECIMAIS, capaz de armazenar variáveis e resultados. Unidade de computação aceitava operandos da memória, operações soma, subtração, multiplicação e divisão (somava dois desses números em 1 s) e enviava o resultado para a memória. Termos originais dos 4 componentes: store, mill, input section e output section.

23 Máquina Analítica - programável em linguagem de montagem simples software. Ada Byron King (Matemática), compreendeu o funcionamento da Máquina Analítica e escreveu os melhores relatos sobre o processo. Companheira de Babbage, iniciou o ambicioso projeto de construção da Máquina Analítica. Criou programas para a máquina - primeira programadora de computador. É uma das poucas mulheres a figurar na história do processamento de dados.

24 A máquina de Babbage não foi construída: a tecnologia da época era incapaz de fornecer a precisão necessária. Babbage não dispunha de recursos para financiá-la, nem encontrou investidores dispostos a ir além de algumas doações. Seus projetos e idéias foram a base para outros projetos anos adiante. Em 1991, o Science Museum de Londres desenvolveu o Engenho Diferencial utilizando os planos de Babbage e funcionou perfeitamente.

25 Concepção dos fundamentos lógicos para a criação de programas: lógica matemática/álgebra booleana (matemático George Boole, Inglaterra, 1854) Estabelecimento de uma forma de armazenamento e processamento de dados utilizando relações binárias: As leis do pensamento (matemático George Boole, Inglaterra, 1854)

26 Década de 1930 Tentativas de substituir as partes mecânicas dos computadores por partes elétricas. O uso de relés era uma forma de fazer essas substituições, mas o alto custo, tamanho físico e baixo desempenho eram as desvantagens desses tipos de máquinas.

27 Década de 1930 Konrad Zuse (alemão) construiu uma série de máquinas de calcular automáticas usando relés eletromecânicos.

28 Outros projetistas de máquinas de calcular: John Atanasoff e George Stibbitz (Estados Unidos) Máquina de John Atanasoff Usava aritmética binária e tinha capacitores para armazenar informação (necessidade de recarga periódica mesmo princípio da memória DRAM). Nunca funcionou efetivamente. Máquina de George Stibbitz Mais rudimentar e funcionou plenamente.

29 Mark I (Howard Aiken) - primeiro computador eletromecânico construído. Características do Mark I 18 metros de comprimento 2 metros de largura Peso - 70 toneladas. 7 milhões de peças móveis Fiação alcançava 800 Km. Tinha 72 palavras de 23 dígitos decimais Tempo de execução de uma instrução 6 segundos. Construção do Mark II (Sucessor do Mark I) Computadores a relé já estavam obsoletos.

30 Primeira Geração Válvulas ( )

31 O tubo de vidro na ilustração possui um terminal positivo e um negativo (o cátodo e o ânodo) separados por uma grade de fios. Os elétrons do cátodo são atraídos pelo ânodo e fazem uma corrente de elétrons passar através da válvula. O fluxo natural dos elétrons negativos para o terminal positivo é intensificado de duas maneiras: o cátodo se aquece até a incandescência e sua superfície é tratada com um produto químico especial. A grade de controle está situada entre o cátodo e o ânodo e geralmente não interfere no movimento dos elétrons. Mas, quando uma carga negativa é aplicada à grade, os elétrons são repelidos e não atingem o ânodo. A força repulsora da grade supera a força de atração do ânodo e o fluxo dos elétrons cessa. A corrente é interrompida e o interruptor se desliga.

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33 Computadores Eletrônicos Principal estímulo Segunda Guerra Mundial. Enigma O orgulho alemão Marian Rejewski Codebreaker polonês desvenda o segredo dos rotores Ingleses aprendem a decodificar as mensagens. Problema dificuldade de decodificação. Solução - COLOSSUS

34 Colossus (Alan Turing, operacional em 1943)

35 Colossus Considerado o primeiro computador eletrônico digital construído no mundo. Características: Desenvolvido com a tecnologia de válvulas. Capaz de processar cerca de 5 mil caracteres por segundo. Capaz de quebrar o código da segunda geração de máquinas ENIGMA. No final da guerra, dez Colossus em operação constante permitiam que os ingleses soubessem melhor que o comando alemão onde se encontravam seus submarinos.

36 Outra consequência da guerra Cientistas americanos trabalham no desenvolvimento de máquinas de computação. Objetivo calcular tabelas de direção de tiro para auxiliar na pontaria da artilharia americana. Solução ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer)

37 ENIAC

38 Características do ENIAC (A última grande calculadora) 3 anos para ser construído Possuía: válvulas (aproximadamente) resistências, capacitores, relés comutadores manuais conexões de solda 30 toneladas de peso 5,5 m de altura 25 m de comprimento 150 m² de área

39 Características do ENIAC (A última grande calculadora) Acionamento: motor equivalente a dois potentes motores de carros de quatro cilindros, enquanto um enorme ventilador refrigerava o calor produzido pelas válvulas. Consumo: 150 kw ao produzir o calor equivalente a 50 aquecedores domésticos. Arquitetura do ENIAC: composta de 20 registradores (cada um capaz de armazenar um número decimal de 10 dígitos) Programação: através de fios e pinos (como painel telefônico, usando chaves) Executava 5000 adições/subtrações ou 300 multiplicações por segundo Para programar demorava 1 ou 2 dias Grande limitação: capacidade de armazenamento.

40 Conclusão do ENIAC (1946) inútil para os propósitos originais. Sucessoras: EDSAC (1949), JOHNIAC, ILLIAC, MANIAC, WEIZAC. Outra invenção do construtores do ENIAC (Eckert e Mauchley) EDVAC (Electronic Discret Variable Automatic Computer). John von Neumann versão própria do EDVAC Máquina IAS.

41 30 Junho 1945 John von Neuman (consultor do projeto ENIAC) Criou o conceito de programa armazenado Criou o conceito de operações com número binário Desenvolveu a lógica dos circuitos Denominação atual da máquina proposta Máquina de Von Neumann

42 Máquina de Von Neumann Componentes básicos Memória Unidade Aritmética Lógica Unidade de controle Dispositivos de entrada/saída

43 A máquina original de Von Neumann

44 Características da Máquina de Von Neumann Aplicação: Máquina IAS (Institute of Advanced Studies Princeton) Memória palavras de 40 bits Cada palavra armazenava 2 instruções de 20 bits ou um número de inteiro com sinal de 40 bits Instrução: 8 bits tipo da instrução, 12 bits especificar uma das 4096 palavras de memória. Unidade aritmética lógica Registrador especial de 40 bits acumulador Não processava números reais

45 MIT desenvolve o Whirlwind I Palavra de 16 bits. Projetado para controle de processos em tempo real. Projeto levou ao invento das memórias de núcleos magnéticos e ao primeiro minicomputador comercial.

46 IBM Início produzir perfuradoras de cartão e máquinas mecânicas para separar cartões. IBM 701 (2048 palavras de 36 bits, duas instruções por palavra. IBM 704 (4 K de memória, instruções de 36 bits, hardware para processamento de números em ponto flutuante Produção da última máquina a válvula (IBM 709).

47 IBM o computador de grande porte da IBM Usado na guerra da Coréia

48 Segunda Geração Transistores ( )

49 1948 (Bell Labs.) - invenção do Transistor. O Prêmio Nobel de 1956 foi conferido à equipe cuja pesquisa levou à invenção do transistor. Usando elementos semicondutores, os transistores funcionam como chaves, porém são menores, mais rápidos, não esquentam, duram mais e consomem menos energia que as válvulas.

50 Transistor passou a ser um componente básico na construção de computadores e apresentava as seguintes vantagens: aquecimento mínimo Baixo consumo de energia mais confiável e veloz do que as válvulas

51 Primeiro Computador transistorizado (MIT) TX-0 (Transistorized experimental computer 0) DEC PDP-1 (4 K palavras de 8 bits e clock com período de 5 µs, preço: dólares). PDP-8 (máquina de 12 bits, preço: dólares, barramento único. IBM (Início do domínio) 7090, 7094 (clock com período de 2 µs, memória de 32 K palavras de 36 bits cada) (uso comercial).

52 PDP-1 Barramento Omnibus do PDP-8

53 CDC (Control Data Corporation) 6600 (alta velocidade, conceito de processamento paralelo, hardware composto de um conjunto de pequenos processadores), denominação atual: Supercomputadores. Sucessores do 6600: 7600 e Cray-1 Burroughs B5000 Máquina construída com o objetivo de rodar programas escritos em Algol 60. Fortalecimento do software

54 Terceira Geração Circuitos Integrados ( )

55 Jack Kilby (Texas Instruments) - construção do primeiro circuito integrado, contendo cinco componentes em uma peça de germânio com meia polegada de comprimento e fina como um palito de dente. Evolução

56 Características dos Circuitos Integrados transistores e outros componentes eletrônicos miniaturizados montados em um único chip; maior confiabilidade (não tem partes móveis); muito menores (equipamento mais compacto e mais rápido pela proximidade dos circuitos); baixo consumo de energia (miniaturização dos componentes) custo de fabricação muito menor. Primeiros CIs: 10 ou 20 transistores em um chip (SSI - Small-Scale Integration). Final dos anos 60: de 20 a 200 transistores em um chip (MSI - Medium-Scale Integration). Final dos anos 70: até 5000 transistores em um chip (LSI - Large-Scale Integration).

57 Família de Máquinas Implementadas a partir de circuitos integrados, projetada para computação científica e/ou aplicações comercias Mesma linguagem de montagem e com tamanhos variando dentro de um espectro de preço e desempenho. Exemplo: IBM System/360 Multiprogramação, 16 registradores de 32 bits, espaço de endereçamento: 16 Mbytes. Avanço das indústrias dos minicomputadores

58 1961: IBM Família IBM/360 transistorizados sistema modular mais poderosos e mais baratos aceitavam uma grande variedade de periféricos foram vendidas milhares de unidades no mundo todo dando à IBM a hegemonia absoluta

59 Quarta Geração Integração de Circuitos em Escala Muito Alta (1980 -?)

60 Década de 1980 VLSI (Very Large Scale Integration) Diferença significativa: microcomputadores, minicomputadores e computadores de grande porte. Primeiros microcomputadores (microprocessador 8080) Apple e Apple II IBM entra no mercado de microcomputadores PC da IBM (Sistema Operacional: MS-DOS) O primeiro computador portátil (Osborne I). Estratégia equivocada da IBM divulgação do projeto surgimento de CLONES IBM + Microsoft lançam o sistema operacional OS/2 fracasso Microsoft lança Windows (Crise da IBM).

61 Apple I Apple II IBM PC Osborne I

62 Meados da Década de 1980 Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) em substituição a Arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer) Anos 1990 Processadores Superescalares (execução de várias instruções simultaneamente)

63 2002 O Pentium 4 é construído com uma tecnologia de 0,13 micrômetros e possui 55 milhões de transistores. O supercomputador japonês Earth Simulator criado pela NEC para simular mudanças no clima do planeta possui 5104 processadores e ocupa uma área equivalente a três quadras de tênis. Seu desempenho esta em torno de 35 teraflops, realiza 35,86 trilhões de cálculos por segundo.

64 Pentium 4 "Simulador da Terra"

65 2003 AMD lança o processador Opteron O Opteron é o primeiro processador para a arquitetura CISC capaz de trabalhar a 64 bits utilizando as instruções IA-32 (conhecidas também pelo nome x86). Possui transistores de 0,13 mícron, possuindo no total 100 milhões de transistores. Pode endereçar até 1 TeraByte de memória RAM. Suporta até 8 processadores na mesma placa-mãe.

66 Tendências Os grandes computadores caminham para o processamento paralelo. O Futuro Computadores ópticos, Nanotecnologia, Computação biológica, Armazenar bits no spin do átomo? Computador quântico.

67 Em cinco décadas, o computador deixou de ser um sistema "monstro" a pesar toneladas e a ocupar centenas de metros quadrados, sendo nos nossos dias, pequenos sistemas com uma capacidade de cálculo incomensuravelmente superior aos primeiros. Início do século - os "computadores" não passavam de simples máquinas de calcular ou de ler cartões perfurados que eram construídas usando engrenagens e relês. A "energia" que fazia tudo funcionar era a própria força do operador, que precisava girar uma manivela a cada operação. Final da década de 50 - os computadores passaram a ser construídos usando transistores, que não eram lá tão menores que as válvulas usadas durante a década de 40, mas que já eram bem mais eficientes e confiáveis.

68 Uma década depois - os transistores já eram bem menores e surgiu o circuito integrado. Depois surgiram os primeiros microprocessadores. A solução para construir computadores mais rápidos e mais baratos passou a ser produzir transistores cada vez menores. Hoje, uns dos menores transistores (produzidos pela Intel) já medem apenas 0.02 mícron. Os processadores produzidos comercialmente ainda estão nos 0.13 mícron. Pode-se dar quase como certos, processadores de 15 ou 20 GHz, com 600 milhões de transistores até o final da década. O que virá depois dos super mainframes de 0.02 mícron? Quem sabe outros, agora de 0.01 mícron? Ou mesmo de mícron, usando nanotubos? Alguns acreditam que eles sejam possíveis, mas vamos pensar um pouco mais adiante, quando finalmente todos os fabricantes tiverem esgotado sua munição transistorizada.

69 Modelagem do avanço tecnológico Lei de Moore Avanços na tecnologia (transistores/chips) Novos mercados, novas empresas Produtos Melhores a preços mais baixos Novas Aplicações O software é como um gás Lei de Nathan Durante a década de 70, Gordon Moore, na época o presidente da Intel lançou uma profecia, que dizia que a partir dali o poder de processamento (número de transistores em um CHIP) dobraria a cada 18 meses.

70 Estrutura Alto nível Periféricos Computador CPU Memória principal Computador Interconexão do sistema E/S Linhas de comunicação

71 Estrutura A CPU CPU Computador E/S Memó ria Barramento do sistema CPU Registradores Interconexão interna da CPU ALU Unidade de controle

72 Estrutura A unidade de controle Unidade de controle ALU CPU Barramento interno Registr. Unidade de controle Lógica de sequenciação Registradores e decodificadores da unidade de controle Memória de controle

73 Sistemas de Numeração Base e Sistema Numérico Pode-se simplesmente definir a base de um sistema de numeração como sendo a quantidade de símbolos ou dígitos ou algarismos diferentes que o referido sistema emprega para representar números. Em um sistema posicional de base fixa B, um número é usualmente representado por uma série de algarismos pertencentes ao conjunto disponível para a referida base.

74 Sistemas de Numeração Sistema Decimal: Como Funciona

75 Sistemas de Numeração Sistema Numérico Binário

76 Sistemas de Numeração Conversão Decimal Binário

77 Sistemas de Numeração Organização de um Computador O sistema de numeração com o qual estamos mais familiarizados é o decimal, cujo alfabeto (coleção de símbolos) é formado por 10 dígitos acima mostrados. Um Computador Decimal: se trabalhasse com o sistema decimal um computador precisaria codificar 10 níveis de referência para caracterizar os 10 dígitos do sistema utilizado. Esses níveis de referência poderiam ser valores de tensão (0V, 1V, 2V, etc.) que precisariam ser definidos e interpretados de maneira clara e precisa pela máquina. Desvantagem: quanto maior o número de interpretações maior a probabilidade de erro. Para decidir que está lendo o número 5 a máquina precisaria ter certeza de que o que leu não é: 0, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9.

78 Sistemas de Numeração Organização de um Computador Consequência: O sistema de numeração mais seguro deveria ser aquele com o menor número de símbolos (dígitos). Conclusão: o melhor sistema de numeração para uma máquina seria o binário com apenas dois dígitos, o zero (0) e o um (1). Um possível problema no uso de máquinas binárias: o número binário precisa de mais dígitos para ser escrito do que o decimal. Consequência: o computador binário seria mais preciso porém muito lento porque a leitura da informação iria requerer mais tempo.

79 Sistemas de Numeração Organização de um Computador O computador é uma máquina capaz de sistemicamente coletar, manipular e fornecer resultados. Processamento de dados consiste em uma série de atividades ordenadamente realizadas com o objetivo de produzir um arranjo determinado de informações e resultados. Um computador digital é um conjunto de componentes integrados segundo uma estrutura de sistema que manipula dados na forma digital (0s e 1s). Unidade Central de Processamento (CPU) Memória Unidades de E/S

80 Sistemas de Numeração Organização de um Computador O computador trabalha com a base de numeração binária onde os números são representados por um conjunto de 0s e 1s.

81 Sistemas de Numeração Conversão Decimal Binário? Conversação

82 Sistemas de Numeração Conversão Decimal Binário? Conversação