Arquitetura e Organização de Computadores

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1 Arquitetura e Organização de Computadores Aula 01 Tecnologias e Perspectiva Histórica Edgar Noda Pré-história Em 1642, Blaise Pascal ( ) construiu uma máquina de calcular mecânica que podia somar e subtrair. Em 1672, Gottfried Leibniz ( ) construiu uma máquina mecânica que podia também multiplicar e dividir. Charles Babbage ( ) desenvolveu uma máquina de uso geral com os seguintes componentes: o armazenamento, o engenho, a seção de entrada e a seção de saída usando cartões perfurados

2 Primeira Geração A evolução da computação no início dos anos 40 teve como motivação a necessidade de serem realizados cálculos para o uso militar de uma forma rápida e eficiente. O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) Em 1943 teve início o trabalho de construção do ENIAC, um equipamento com a capacidade de realizar até 5000 adições por segundo, sendo finalizado em No Eniac, os números eram representados na forma decimal e cada número era armazenados com a utilização de 10 válvulas. A Máquina de von Neumann Memória Principal Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle Equipamentos de entrada e saída

3 A Máquina de von Neumann O programa passa a ser armazenado na memória do computador juntamente com os dados. As tarefas de controle e de operações aritméticas são separadas. Cria a base da estrutura dos computadores modernos usados até hoje. A proposta foi implementada com a construção do computador IAS no Instituto de Princeton em A Máquina de von Neumann - IAS O IAS tinha 21 instruções (representadas pelos opcodes) para realizar as seguintes operações: transferência de dados; re-direcionamento de seqüências de instruções; implementação de comandos condicionais; aritmética; modificação de endereços.

4 Computadores comerciais Em 1947, a empresa Eckert-Mauchly (mais tarde Unisys) iniciaram com o UNIVAC I (Universal Automatic Computer) a manufatura de computadores comerciais. Com o lançamento do UNIVAC II inicia-se a característica de que uma versão de máquina seja compatível com as anteriores. Em 1953, a IBM apresenta o seu primeiro computador com programa eletronicamente armazenado, o 701, para uso científico. Em 1955 é apresentado o 702 para uso comercial. A Segunda Geração Os transistores Os transistores foram inventados pela Bell Labs em São dispositivos de estado sólido feitos de silício, mais baratos, menores e com menor dissipação de calor que as válvulas. Fatos da segunda geração: aparecimento de um software para controle do sistema; uso de linguagens de alto nível; aparecimento da Digital Equipment Corporation (DEC) em 1957 com o lançamento do PDP-1 (Programmed Data Processors) que inicia o fenômeno do minicomputador.

5 A Segunda Geração Os transistores Evolução dos computadores IBM da série 700 de 1952 até a série 7000 em 1964: tamanho da memória: de 2K ( =2.1024) palavras de 36 bits à 32 K palavras; tempo de acesso de memória: de 30 micro segundos à 1.4 micro segundos; número de instruções: de 24 para 185; Módulo de I/O com processador próprio Controla o acesso da CPU e dos Canais de dados a memória O processo de I/O é iniciado pela CPU que passa o comando para o Canal de Dados que executa a tarefa e retorna o comando para a CPU

6 A Terceira Geração Os Circuitos Integrados Cada transistor usado na segunda geração era um dispositivo individual que deveria ser soldado na placa de circuito impresso. Assim, conforme o número de circuitos aumentaram, o trabalho de montagem se tornou cada vez mais difícil. A invenção dos circuitos integrados em 1958 iniciam a era da microeletrônica. Os gates e as células de memória são implementados por transistores e outros componentes de estado sólido. A microeletrônica constrói vários destes dispositivos de uma forma compacta.

7 A Terceira Geração Os Circuitos Integrados Lei de Moore (co-fundador da Intel), obtida por observação em 1965: o número de transistores que podem ser colocados em um único chip tende a dobrar a cada ano Após 1970 a taxa de crescimento diminuiu para uma multiplicação por 2 a cada 18 meses. Principais conseqüências da Lei de Moore: como o custo por chip permanece praticamente o mesmo, o custo do hardware tem caído; como os elementos básicos estão cada vez mais próximos, a velocidade de operação tem aumentado; os computadores se tornam cada vez menores; A Terceira Geração Os Circuitos Integrados Em 1964 a IBM lança uma nova família de produtos, o System/360, que era incompatível com as versões anteriores (série 7000). Com esta nova série a IBM passa a dominar o mercado. O System/360 foi a primeira família planejada de computadores do mercado com diferentes desempenhos e preços, sendo que os diversos modelos eram compatíveis entre si, de cima para baixo.

8 A Terceira Geração Os Circuitos Integrados A Terceira Geração Os Circuitos Integrados As principais características de uma família são: Conjunto de instruções iguais ou similares: possibilita que um programa que seja executado em uma máquina possa ser executada em outra da mesma família; Sistema operacional idêntico ou similar; Aumento de velocidade de processamento; Aumento de portas de I/O; Aumento de memória; Aumento do Custo.

9 A Terceira Geração Os Circuitos Integrados No mesmo ano do lançamento do System/360 (1964) a DEC lança o PDP-8, um equipamento pequeno o bastante para ser colocado sobre uma bancada ou colocado no interior de outros equipamentos. Enquanto o System/360 custava centenas de milhares de dólares, o PDP-8 era vendido a cerca de U$ O PDP-8 coloca a DEC como segunda maior indústria de computadores atrás apenas da IBM A Terceira Geração Os Circuitos Integrados

10 A Terceira Geração Os Circuitos Integrados Em contraste com a arquitetura de controle de fluxo central da IBM, os modelos mais avançados do PDP-8 usavam uma estrutura de barramento chama- da de Omnibus que consistiam de 96 caminhos de sinais separados, usados para transportar sinais de controle, endereços e dados. Gerações Posteriores Característica: aumento da densidade de componentes por chip. Tecnologia: LSI (Large-Scale Integration) - até componentes podem ser colocados em um único circuito integrado (após 1972); VLSI (Very Large-Scale Integration) - mais de componentes podem ser colocados em um único circuito integrado (após 1978);

11 Fatos históricos Em 1974 o preço por bit armazenado em dispositivos de memória baseados em semicondutores caí abaixo dos baseados em anéis de materiais ferromagnéticos; Em 1971, a Intel lança o primeiro chip que contêm todos os componentes de uma CPU, o 4004, iniciando a era dos microprocessadores. Em 1972 a Intel lança o primeiro microprocessador de 8 bits, o Intel 8008; Em 1974 é lançado o Intel 8080, o primeiro microprocessador de uso geral, desenvolvido para ser usado em computadores de uso geral; Fatos históricos Evolução dos microprocessadores Intel: velocidade de clock: de 108 KHZ (4004 de 1971) à 3600 MHz (Pentium IV). Número de transistores: de (4004 de 1971) à O aumento do desempenho dos computadores é alimentado pelo desenvolvimento de novas técnicas de adensamento de componentes nos chips de forma a diminuir as distâncias entre eles e criação de técnicas para manter o processador ocupado, diminuindo o tempo de acesso aos dados.

12 Desenvolvimento da Tecnologia Por quê aumentar o desempenho dos computadores? Aplicações: Banco de Dados; Processamento de sinais; Processamento de imagens; Reconhecimento de voz; Videoconferência; Multimídia; Previsão do tempo. Desenvolvimento da Tecnologia Técnicas para manter o processador ocupado: Branch Prediction: o processador coloca em buffers de memória pedaços do código que poderão ser usados em seguida; Data Flow Analysis: o processador analisa quais instruções são dependentes dos resultados de outras instruções para agendar a seqüência de processamento; Speculative Execution: O processador mantêm nos buffers temporários as instruções ou dados com grande probabilidade de serem usadas.

13 Desenvolvimento da Tecnologia Enquanto o desempenhos dos processadores e a capacidade de armazenamento aumentaram, a interface entre o processador e a memória principal não têm acompanhado esta tendência com a mesma taxa. Com o aumento da densidade, o número de unidades de memória por sistema tem decaído, diminuindo a possibilidade de se realizar a transferência paralela de dados. Formas de atacar este problema: fazer as memórias mais largas ao invés de mais fundas, criando mais caminhos de transferência de dados ; incluir sistemas de cache nos chips de memórias; reduzir a freqüência de aceso a memória utilizando caches nos processadores; aumentar a largura de banda dos barramentos e criar sistemas hierárquicos de transferência de dados;

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