Arquitetura de Computadores

Transcrição

1 Arquitetura de Computadores Professor: Vilson Heck Junior

2 Agenda Introdução Estrutura e função Classes de Computadores Fundamentos Tendências na Tecnologia

3 Contextualizado - Mas espera aí - Quantos computadores você tem em casa? - Só um? - Dois? - Pense bem

4 Contextualizado

5 Organização e Arquitetura - Desde os Microcomputadores de um chip até os Supercomputadores

6 Principais Pontos - Aumento da velocidade do processador - Diminuição do tamanho dos componentes - Aumento no tamanho da memória - Aumento na capacidade e velocidade de E/S

7 Arquitetura de Computadores HISTÓRICO

8 Definição da palavra Computação : Ato ou efeito de computar: Cômputo, cálculo, contagem; Operação matemática ou lógica; Definição da palavra Informática : Do francês informatique, que por sua vez é a junção de "information automatique" (informação automática).

9 Histórico: Précomputação Anterior a 1946: Dispositivos para contas: Criação de dispositivos mecânicos/manuais;

10 Histórico: Précomputação Ábaco: Existiu em diversas versões/civilizações: Primeiro Criado na Mesopotâmia; Por volta de 2400 a.c.; Desenhar linhas na areia com rochas; Versão moderna baseada em criação Romana e Chinesa;

11 Ábaco Mental

12 Histórico: Précomputação Primeira Máquina: Relatos indicam: Wilhelm Schickard ( ); Somar, subtrair, multiplicar e dividir; Perdida durante a guerra dos trinta anos; Foi encontrada apenas documentação; Blaise Pascal ( ): Trabalhava em escritório de coleta de impostos; Desenvolveu a máquina para auxiliar no trabalho de contabilidade;

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14 Histórico: A 1 geração: Válvulas : Computadores de primeira geração Circuitos eletrônicos e válvulas Uso restrito Precisa ser reprogramado a cada tarefa Programação em linguagem de máquina Grande consumo de energia Problemas de aquecimento Processamento em milesimos de segundo

15 Histórico: A 1 geração: Válvulas ENIAC (Electrical Numerical ( Calculator Integrator and Universidade da Pensilvânia Precisão para tabelas de faixa e trajetória das armas 1943 concluído em 1946 Foi operado até toneladas 1500 pés de superfície valvúlas 140kw de potência

16 Histórico: A 1 geração: Válvulas ENIAC Universidade da Pensilvânia Precisão para tabelas de faixa e trajetória das armas 1943 concluído em 1946 Foi operado até toneladas 1500 pés de superfície valvúlas 140kw de potência

17 Histórico: A 1 geração: Válvulas ENIAC Universidade da Pensilvânia Precisão para tabelas de faixa e trajetória das armas 1943 concluído em 1946 Foi operado até toneladas 1500 pés de superfície valvúlas 140kw de potência

18 Histórico: A primeira geração: Válvulas ENIAC Universidade da Pensilvânia Precisão para tabelas de faixa e trajetória das armas 1943 concluído em 1946 Foi operado até toneladas 1500 pés de superfície valvúlas 140kw de potência

19 ENIAC

20 Histórico: A primeira geração: Válvulas MAQUINA DE VON NEUMANN Possibilidade de alterar programas de forma mais fácil deu origem ao computador com programa armazenado, o EDVAC e posteriormente o IAS. O IAS é o protótipo de todos os computadores de uso geral

21 Histórico: A 1 geração: Válvulas UNIVAC I (1947) Primeiro computador comercial de sucesso. Aplicações científicas e comerciais Memória: 1000 palavras 12 caracteres cada

22 Histórico: A 1 geração: Válvulas UNIVAC I (1947) Primeiro computador comercial de sucesso. Aplicações científicas e comerciais Memória: 1000 palavras 12 caracteres cada

23 Histórico: A 1 geração: Válvulas UNIVAC II (1957) Primeiro computador comercial de sucesso. Aplicações científicas e comerciais Memória: 2000 a palavras

24 Histórico: A 2 geração: Transistors : Computadores de segunda geração Início do uso comercial Tamanho gigantesco Capacidade de processamento muito pequena Transistores no lugar de válvulas ( Assembly ) Programados em linguagem de montagem Processamento em microssegundos

25 Histórico: A 2 geração: Transistors Menor + barato Discipa menos calor Tinham cerca de

26 Histórico: A 3 geração: Circuitos Integrados : Computadores de terceira geração Circuitos integrados Diminuição do tamanho Maior capacidade de processamento Início dos computadores pessoais Criação do CHIP Processamento em nanossegundos

27 A necessidade de muitos transistors impulsionou a criação dos circuitos integrados CI. Introdução Histórico: A 3 geração: Circuitos Integrados IBM SYSTEM/360 (1964)

28 Histórico: A 3 geração: Circuitos Integrados Gordom Moore Co-fundador Intel 1965

29 Histórico: A 3 geração: Circuitos Integrados DEC PDP-8 Menor (cabia numa bancada de laboratório) MINICOMPUTADOR U$ enquanto o IBM custava centenas de milhares de dólares

30 Histórico: Gerações posteriores Sugere-se diversas gerações posteriores Muita evolução da tecnologia Avanços na capacidade de armazenamento, usando a mesma tecnologia de circuitos integrados empregada na construção do processador. -> Memória semicondutora Surgimento dos microprocessadores, em 1971, a INTEL desenvolveu um chip contendo todos os componentes de uma CPU. Em 1974 a INTEL lançou o 8080, primeiro de uso geral.

31 Histórico: Gerações posteriores : Computadores de quarta geração Miniaturização dos componentes (tendência da terceira ( geração Aperfeiçoamento dos Circuitos Integrados Linguagens de programação de alto nível Microcomputadores em escala comercial

32 Histórico: Gerações posteriores Em seguida a Intel lançou o seu microprocessador de 32 bits , em 1985

33 Histórico: Gerações posteriores Evolução dos processadores INTEL

34 Histórico: Gerações posteriores Evolução dos processadores INTEL

35 Histórico: Gerações posteriores Intel i7 Ivy Bridge Cores: 4 Transistores: 1.4 Bilhões! Evolução dos processadores INTEL

36 Projeto visando o desempenho Custo caiu drasticamente Desempenho e capacidade aumentaram Com U$ 1000 compra-se um desktop com melhor desempenho que um mainframe Possibilitando aplicações de incrível complexidade e poder: Processamento de imagens: geoprocessamento Reconhecimento de voz Videoconferência Criação multimídia Anotação de arquivos de voz e vídeo Modelagem e simulação Servidores pequenos e poderosos que substituem datacenters imensos. Tudo isso baseado praticamente na mesma arquitetura do IAS de 50 anos atrás, entretanto, as técnicas para espremer a última gota de desempenho dos materiais atuais tem se tornado cada vez mais sofisticada.

37 Velocidade do microprocessador Enquanto os fabricantes de chips se preocupam com a densidade, os projetistas buscam técnicas mais elaboradas para alimentar o monstro: Previsão de desvio: antecipa o código de instrução apanhado da memória e prevê quais instruções serão armazenados em seguida. Análise de fluxo de dados: analisa quais instruções são dependentes dos resultados uma da outra, ou dos dados, para criar uma sequência otimizada. Execução especulativa: Usa as duas anteriores, alguns processadores especulativamente executam instruções antes do seu surgimento real na execução do programa, mantendo os resultados em locais separados.

38 Melhorias na organiz. e na arq. do chip Processador é muito mais potente frente aos outros componentes. Principalmente em relação a memória principal (velocidade com que os dados podem ser transferidos). Como resolver isso? Aumentar o número de bits que são recuperados ao mesmo tempo, tornando a DRAM Aumentar a interface da DRAM para torná-la mais eficiente, incluindo uma CACHE ou outro esquema de buffering Reduzir a frequência de acesso a memória incorporando estruturas de cache cada vez mais complexas e eficientes entre o processador e a memória principal. Isso inclui a inclusão de um ou mais caches no chip do processador ou perto dele. Aumentar a largura de banda de interconexão entre os processadores e a memória usando barramentos mais rápidos.

39 Como continuar evoluindo??? Introdução Melhorias na organiz. e na arq. do chip Colocar múltiplos processadores no mesmo chip, com uma grande cache compartilhada MULTICORE.

40 Sistemas Embarcados Conceito: Uma combinação de hardware e software de computador, e talvez partes adicionais mecânicas e outras, projetada para realizar uma função dedicada. Em muitos casos, os sistemas embarcados fazem parte de um sistema maior, assim como um sistema de freios ABS em um carro.

41 Sistemas Embarcados Mercado Automotivo Eletrônico Controle Industrial Médico Automação de escritório Dispositivo embutido Sistema de ignição Controle de motor Sistema de freio TV, DVD, PDAs, Aparelhos de cozinha (refrigeradores, torradeiras, fornos de microondas, Brinquedos/jogos, Telefones/celulares, Câmeras, GPS Robótica e sistemas para manufatura Sensores Bombas de infusão, Monitores cardíacos Fax, Xerox, Impressoras, Monitores, Escâneres

42 Sistemas Embarcados

43 Sistemas Embarcados Família de microprocessarores baseados em RISC, projetados pela empresa ARM.

44 Sistemas Embarcados ORGANIZAÇÃO POSSÍVEL DE UM SISTEMA EMBARCADO FPGA / ASIC Software Memória Sistemas auxiliares (alimentação e resfriamento) Interface Humana Processador Porta de Diagnóstico Conversão analógico / digital Backup Eletromecânicos e segurança Conversão analógico / digital Sensores Ambiente externo Atuadores

45 Sistemas Embarcados Processadores ARM são projetados para atender: Sistemas embarcados de tempo real: carros, industrias e redes Plataformas de aplicação: Dispositivos que usam Sos móveis: Linux, PalmOS, Symbian, WindowsCE Aplicações seguras: SmartCards, placas SIM e terminais de pagamento.

46 Sistemas Embarcados

47 Sistemas Embarcados Desafio: Qual a arquitetura computacional do IPHONE 4S?

48 Avaliação de desempenho Processador de 1GHz executa 1 bilhão de pulsos por segundo; A taxa de pulsos é conhecida como taxa ou ciclo de clock! Existem medidas para avaliar o desempenho do processador como MIPS e MFLOPS. MIPS: Milhões de instruções por segundo MFLOPS: Milhões de operações do ponto flutuante por segundo. Ambas são inadequadas para medir o desempenho devido a diferenças nos conjustos de instruções.

49 Avaliação de desempenho BENCHMARKS SPEC Um pacote para realizar comparações e medir o desempenho dos computadores. Existem vários programas que devem ser aplicados e depois avaliar os resultados.

50 ATIVIDADES 1. O que é um computador de programa armazenado? 2. Quais são os quatro componentes principais de qualquer computador de uso geral? 3. No nível de circuito integrado, quais são os três constituintes principais de um sistema de computação? 4. Qual é a principal característica que distingue um microprocessador? 5. Cite 5 exemplos de computadores embarcados. 6. Quais são as desvantagens inerentes aos computadores palmers? 7. Comente sobre o conceito da computação nas nuvens e a sua relação a arquitetura dos computadores projetados para seu funcionamento. 8. Quais os benefícios gerados pela iniciativa software livre? 9. Qual é o método mais adequado para avaliar o desempenho de uma arquitetura de computador? 10. Quais são as tendências de tecnologia para os próximos anos?