Aula 2: Histórico da Evolução dos Computadores
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- Talita Salazar Sampaio
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1 Aula 2: Histórico da Evolução dos Computadores Fernanda Passos Universidade Federal Fluminense Fundamentos de Arquiteturas de Computadores Material baseado nos slides do prof. Diego Passos Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 1 / 48
2 Dispositivos Primitivos de Computação Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 2 / 48
3 O Conceito de Computação O que significa o conceito de computação? No seu nível mais básico, é a manipulação de dados para algum fim. Nos primórdios da computação, os dados eram números. E as manipulações eram operações/funções matemáticas. Hoje, a computação engloba um universo muito mais abrangente: Informação pode ser números, textos, datas, mapas, imagens, áudio, vídeo,... As manipulações podem incluir análise de imagens, tratamento de fotos, transmissão de dados,... Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 3 / 48
4 O Primeiro Computador? O primeiro equipamento de cálculo da história é provavelmente o ábaco. Registros históricos datando de 5000 ac. Vários locais: Grécia, China, Um ábaco é formado por uma série de hastes paralelas presas em uma moldura. Cada haste possui uma determinada quantidade de contas (tipicamente, pequenas esferas ou fichas) Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 4 / 48
5 Ábaco: Representação de Números Um tipo comum de ábaco é o Soroban (Ábaco Japonês). O Soroban possui 5 contas em cada haste, sendo a de cima separada das outras 4. Cada haste representa um algarismo decimal. Unidades mais à esquerda, depois dezenas, centenas,... Cada conta do grupo de baixo que é levantada representa uma unidade a mais no algarismo. Se a conta de cima é abaixada, deve-se acrescentar Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 5 / 48
6 Ábaco: Realizando Cálculos Uma vez tendo representado um determinado número no ábaco, é fácil somá-lo com outro. Basta realizar as somas algarismo a algarismo, repassando corretamente o vai-um. Com a prática, é possível realizar somas grandes rapidamente. Também há algoritmos para outras operações, como subtrações multiplicações e divisões. Podemos ainda arbitrar uma posição para a vírgula e fazer contas com números fracionários. Aritmética de ponto fixo. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 6 / 48
7 Régua de Cálculo Outro dispositivo manual que permite realizar cálculos é a Régua de Cálculo. Ao contrário de uma régua comum, com escala linear, contém escalas logarítmicas. Possui peças móveis para que as escalas possam deslizar umas sobres as outras. 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 7 / 48
8 Régua de Cálculo: Realizando Cálculos Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações. Isso porque log(x) + log(y) = log(x y). Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3. Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A. 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 8 / 48
9 Régua de Cálculo: Realizando Cálculos Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações. Isso porque log(x) + log(y) = log(x y). Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3. Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A. Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B. 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 8 / 48
10 Régua de Cálculo: Realizando Cálculos Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações. Isso porque log(x) + log(y) = log(x y). Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3. Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A. Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B. Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente. 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 8 / 48
11 Régua de Cálculo: Realizando Cálculos Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações. Isso porque log(x) + log(y) = log(x y). Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3. Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A. Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B. Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente. Este valor é o resultado da multiplicação. 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 8 / 48
12 Régua de Cálculo: Divisões As divisões também são triviais. Porque log(x) log(y) = log(x/y). Outro exemplo simples: dividir 8 por 4. Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 4 coincida com o 8 da escala A. Em seguida, encontramos o valor 1 na escala B. Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente. Este valor é o resultado da divisão. 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 9 / 48
13 Régua de Cálculo: Outras Operações Modelos modernos da régua de cálculo geralmente trazem várias escalas diferentes. Escalas logarítmicas de uma, duas, três décadas. Escalas lineares. Escalas logarítmicas invertidas. Escalas trigonométricas.... É possível realizar um grande número de operações. Multiplicação, divisão, logaritmos, raízes, potências, exponenciais,... Algumas realizam conversões de unidades. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 10 / 48
14 Régua de Cálculo: História A régua de cálculo foi criada em 1632 por William Oughtred. Nas décadas de 1950 e 1960 eram muito difundidas entre engenheiros, físicos e cientistas. Até astronautas das missões Apollo levavam réguas nas viagens. A partir de meados da década de 1970, com a redução do custo das calculadoras eletrônicas, réguas cairam em desuso. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 11 / 48
15 Computadores Mecânicos Dispositivos como a régua de cálculo e o ábaco são manuais. Usuário realiza todo o trabalho. Dispositivos apenas organizam os dados de forma a simplificar cálculos. Durante o século XVII, alguns físicos e matemáticos viram a necessidade de automatizar cálculos. Nesta época, começaram a surgir calculadoras mecânicas. Dispositivos mecânicos capazes de realizar automaticamente operações aritméticas. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 12 / 48
16 A Pascalina A primeira calculadora mecânica bem sucedida foi a Pascalina. Também conhecida como a Calculadora de Pascal. Criada em 1642 por Blaise Pascal. Capaz de realizar somas e subtrações com vai-um. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 13 / 48
17 A Pascalina: Interface Possui um acumulador cujos algarismos são exibidos em um mostrador. Há também um conjunto de dials (similares a de telefones antigos). Cada um representa um algarismo de entrada. Ao girar um dial, seu valor é adicionado ao acumulador. Subtrações são obtidas através de complemento a 9. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 14 / 48
18 Stepped Reckoner: A Calculadora de Leibniz Uma das limitações da Pascalina era a impossibilidade de realizar multiplicações. Em 1672, o matemático alemão Gottfried Leibniz projetou uma máquina que seria capaz de realizar as 4 operações básicas. Esta máquina, chamada de Stepped Reckoner, utilizava um dispositivo mecânico conhecido como Roda de Leibniz. A Stepped Reckoner nunca funcionou de forma confiável, devido a falhas de projeto e limitações do processo de fabricação. Mas o conceito da Roda de Leibniz ficou. Serviu de base para outras calculadoras mecânicas utilizadas durante 200 anos. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 15 / 48
19 Charles Babbage Matemático, físico e engenheiro inglês. Nascido em Projetou e construiu computadores mecânicos. Bem complexos que as calculadoras da época. Por suas invenções, é às vezes chamado de Pai do Computador. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 16 / 48
20 Máquina de Diferenças Primeiro computador mecânico projetado por Charles Babbage (1822). Motivado pela necessidade de tabelas numéricas confiáveis para funções matemáticas. Capaz de calcular valor de polinômios usando o método de diferenças finitas. Evita a necessidade de multiplicações e divisões. Dada a capacidade de computar polinômios, é possível calcular aproximações para funções mais complexas. Logaritmos, funções trigonométricas,... Permitia operações com números de até 15 algarismos. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 17 / 48
21 Máquina Anaĺıtica Outro computador mecânico projetado por Babbage (1834). Muito mais complexo que a Máquina de Diferenças. Primeiro computador de propósito geral. Não era apenas uma calculadora, com operações pré-determinadas. Permitiria programação através de cartões perfurados. Em outras palavras: seria possível executar algoritmos. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 18 / 48
22 Máquina Anaĺıtica (Mais) A Máquina Anaĺıtica nunca foi (completamente) construída. Muito complexa para a tecnologia e os métodos de fabricação da época. Parte dela foi construída mais recentemente e está exposta no Museu de Ciência de Londres. Mesmo assim, seus projetos estabeleceram princípios presentes até hoje nos computadores modernos. Unidade lógica-aritmética, Controle de Fluxo de Execução, Repetições, Memória,... Embora a Máquina de Diferenças tenha sido um passo importante, a Máquina Anaĺıtica foi a principal contribuição de Babbage. Alguns historiadores acreditam que ela deu origem à primeira programadora da história. Ada Lovelace. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 19 / 48
23 Computadores Eletromecânicos e Eletrônicos Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 20 / 48
24 O Relé Eletromecânico Computadores mecânicos complexos eram de difícil fabricação. Requeriam muita precisão na montagem e fabricação das peças. Além de projetos muito grandes. No início do Século XX, notou-se que computadores utilizando componentes elétricos poderiam ser uma alternativa. O principal personagem desta mudança de paradigma foi o relé eletromecânico. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 21 / 48
25 O Relé Eletromecânico (Mais) Um relé é um componente elétrico que funciona como uma chave. Pode ser aberta ou fechada através de corrente elétrica. Uma chave controlada por circuito permite a representação de dois estados: ligado e desligado. Podemos armazenar informação e operar sobre ela. Origem da computação digital. Vcc Representação de um bit 1 Vcc Vcc Vcc Representação de um bit 0 Operação Lógica OU Operação Lógica E Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 22 / 48
26 Computadores Z1 e Z3 Em 1938, o alemão Konrad Zuse construiu um computador eletromecânico chamado Z1. Não era possível utilizá-lo por um período longo. Na mesma época, Zuse recebeu a sugestão de construir um modelo baseado em componentes elétricos/eletrônicos. Após construir um primeiro protótipo chamado Z2, Zuse conseguiu financiamento para construir uma versão melhorada, o Z3. Utilizava relés. Primeiro computador programável, digital, e totalmente funcional. Serviu a propósitos de guerra e foi destruído após seu fim. Análises aerodinâmicas. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 23 / 48
27 Z3: Desempenho Construído com 2000 relés. Operava sobre números de 22 bits. Clock de 5 a 10 Hz. Código executável e dados eram armazenados em cartões perfurados. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 24 / 48
28 Bombe Criada em Bletchley Park pelo matemático Alan Turing e equipe em Objetivo de decifrar o Enigma durante a 2 a gerra mundial. Colaborou pela vitória dos Aliados sobre a Alemanha nazista. Filme O Jogo da Imitação (2014) retrata esses momentos da vida de Alan Turing. Considerado o pai da ciência da computação. Formalizador da máquina de Turing (1936): modelo abstrato de um computador. Bombe: reconstrução concluída em Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 25 / 48
29 Colossus Criada em Nova máquina criada para o mesmo propósito de decifração. Uso de válvulas eletrônicas. Uma máquina robusta que ocupava uma sala inteira. Durante a guerra, 10 colossi trabalhavam. Uso cartão perfurado e processamento de caracteres por segundo. Colossus Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 26 / 48
30 A Válvula Eletrônica O uso de relés permitiu os primeiros computadores elétricos. No entanto, relés são lentos. Troca de estado demora. Em um computador, bits trocam de estado a todo momento. Tempo de transição dos relés é um gargalo. Solução encontrada: Utilizar válvulas eletrônicas. Chaveamento mais rápido. Início dos computadores eletrônicos. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 27 / 48
31 O ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer (1946). Considerado primeiro computador de propósito geral eletrônico. Usava válvulas. Divide este título com Colossus que foi criado em Projetado por John Mauchly e John P. Eckert (Universidade da Pensilvânia). Mais de válvulas e 800 Km de cabos. Cerca de 30 toneladas. Consumia 150 KW de potência. Operou até Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 28 / 48
32 O ENIAC (Mais) Programação era feita pela manipulação de chaves e cabeamento. Dados podiam ser lidos de cartões perfurados. Armazenava números em base decimal. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 29 / 48
33 John von Neumann Físico e matemático do século XX. Participou como consultor no projeto e construção do EDVAC. Figura importante na história da computação. Propôs a Arquitetura de Von Neumann. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 30 / 48
34 Arquitetura de Von Neumann Arquitetura de computadores com programas armazenados. Características: Computador eletrônico de programa armazenado. Código e dados em memória única. (Quase) a mesma empregada até hoje. Normalmente, se opõe à Arquitetura de Harvard: Programa também é armazenado. Mas há memórias (barramentos) diferentes. Consequência da memória única: Impossível ler instrução e dados simultaneamente. Gargalo de Von Neumann. E/S UCP Unidade de Controle Unidade Lógica-Aritmética Memória Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 31 / 48
35 O Transistor Na década de 60 começaram a se popularizar. Substituíram as válvulas nos computadores. Menores. Menor consumo. Mais baratos. Mais confiáveis. Mais duráveis.... Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 32 / 48
36 O TX-0 Transistorized Experimental computer zero. Primeiro computador transistorizado. Desenvolvido no MIT. Construído em Usava 3600 transistores. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 33 / 48
37 O PDP-1 Programmed Data Processor-1. Desenvolvido pela DEC (Digital Equipment Corporation). Construído em Aproximadamente 9 KB de memória. Versão básica custava $ ,00 (equivalente a $ ,00 em 2015). Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 34 / 48
38 Linguagens de Alto Nível Em 1957, IBM (John W. Backus) cria a primeira linguagem de programação de alto nível. Fortran: Formula Translating System. Alternativa à linguagem de montagem no IBM 704. Inicialmente, programas eram escritos em cartões perfurados. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 35 / 48
39 O Circuito Integrado No final da década de 1950, surgem os primeiros circuitos integrados. Ideia de agrupar circuitos eletrônicos em uma unidade, o chip. Em relação aos componentes discretos: Mais baratos. Mais eficientes. Menores. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 36 / 48
40 O IBM /360 Família de computadores. Mesma arquitetura, linguagem de máquina parecida, capacidades diferentes. Lançado em 1965 pela IBM. Modelo inicial capaz de executar instruções por segundo. No máximo 64 KB de memória (também no modelo inicial). Último modelo lançado em Muito bem sucedido no mercado. Até hoje, IBM mantém algum nível de compatibilidade das aplicações com servidores atuais. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 37 / 48
41 O Microcomputador Computadores como o IBM /360 eram mainframes. Grandes computadores de alta capacidade. Geralmente, compartilhados por vários usuários. Em 1975, a MITS lança o Altair Primeiro microcomputador. Capacidade relativamente baixa. Uso individual. Menor. Mais barato. Usava o 8080, processador de 8 bits da Intel. Tinha um interpretador da linguagem Basic. Desenvolvido por Bill Gates e Paul Allen. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 38 / 48
42 O PC Os microcomputadores se popularizaram. Pequenos e baratos. Adequados para casas e pequenos escritórios. Em 1981, a IBM lança o IBM PC. Baseado na arquitetura Muito bem sucedido no mercado. Se tornaria um padrão de fato. Outros fabricantes começaram a vender computadores PC-compatible. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 39 / 48
43 Miniaturização A partir da década de 90, o processo de miniaturização dos computadores continuou acelerado. Ao mesmo tempo, a capacidade (processamento e memória) também aumentou rapidamente. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 40 / 48
44 Computadores Modernos Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 41 / 48
45 Computadores Atuais: Componentes Tı picos Fernanda Passos (UFF) Histo rico FAC 42 / 48
46 Supercomputadores Computadores de grande capacidade. Processamento, memória,... Capazes de realizar trilhões (ou mais) de operações por segundo. Usam muitos processadores interconectados. Utilizados para aplicações como previsão do tempo e simulações científicas. Bastante caros. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 43 / 48
47 Clusters e Grades Computacionais Alternativa mais barata para computac a o de alto desempenho. Ideia de formar um computador com processadores fracamente acoplados. Em geral, computadores pequenos separados conectados por uma rede. Fernanda Passos (UFF) Histo rico FAC 44 / 48
48 GPUs A demanda por aplicações e jogos com gráficos cada vez melhores levou ao surgimento das GPUs. Unidades de processamento específicas para gráficos. Normalmente contém muitos processadores especializados trabalhando em paralelo. Potencial também para processamento de propósito geral. Inclusive, em clusters de GPUs. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 45 / 48
49 Lei de Moore Em um artigo em 1965, Gordon E. Moore, fundador da Intel fez uma observação. Segundo ele, o número de transistores nos computadores aproximadamente dobrava a cada dois anos. Ele fez a previsão de que esta tendência continuaria. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 46 / 48
50 Histórico do Desempenho dos Computadores Com o aumento exponencial do número de transistores, veio também um aumento exponencial do desempenho. Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 47 / 48
51 Histórico do Desempenho dos Computadores (Mais) Modelo ENIAC IBM 704 IBM S/360 M50 VAX Sun SPARC Dell 4600 Data Tempo para soma 200 us 24 us 4 us 400 ns 25 ns 208 ps Tempo de acesso à 12 us 2 us 200 ns 80 ns 3 ns memória Memória Total 168 KB 64 KB 128 KB 128 MB 256 MB Aluguel $ $32.00 $6.000 Compra $ $ $ $ $ $800 Atualizado (2003) $4,7 M $9,5 M $2,4 M $ $ $800 Fernanda Passos (UFF) Histórico FAC 48 / 48
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