Arquitetura de Computadores Introdução

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1 Arquitetura de Computadores Introdução "O computador pode ser definido como uma máquina capaz de efetuar cálculos complexos em grandes quantidades e altas velocidades". Existem vários parâmetros para a classificação dos computadores, entretanto o que mais nos interessa é quanto ao tipo de processamento. Assim, eles podem ser classificados em: - Analógicos: processam sinais elétricos, sua programação é integrada aos circuitos, - Digitais: utilizam dígitos binários para representar a programação - Híbridos: reúne as características de ambos, possui conversores analógico/digital Para Tannenbaum "Um computador digital é uma máquina capaz de solucionar problemas através da execução de instruções que lhe são fornecidas". As instruções, geralmente armazenadas na memória, formam uma seqüência e recebem o nome de programa (software). O processador, por sua vez, "lê" estas instruções e executa a tarefa especificada. O que estaremos desenvolvendo é o estudo da arquitetura de um computador digital observando sua parte física (hardware) e lógica (Software). 2. Linguagem de Programação O processador de um computador digital só reconhece dois níveis de sinais elétricos, alto e baixo (l ou 0). Desta forma para enviarmos instruções para o processador devemos escrevê-las em códigos formados por um conjunto de sinais elétricos compostos de níveis altos e baixos. Uma seqüência adequada de sinais altos e baixos irá constituir-se em uma instrução. Entretanto escrever instruções no formato de sinais elétricos, aliado a pequena quantidade de instruções disponíveis, torna o processo longo e complexo. Esta forma de escrever é chamada de linguagem de máquina. Para facilitar o processo de desenvolvimento de programas são criados programas (conjunto de instruções) voltados para fazer interface entre o processador e o programador. Este programa torna-se uma nova linguagem na qual novos programas são escritos. Há duas técnicas para o desenvolvimento de novas linguagens. A primeira técnica consiste em escrever as instruções em um formato específico e posteriormente convertê-las ou traduzi-las para a linguagem de máquina. Esta técnica cria um novo programa e este é que será executado pelo processador. A segunda técnica é a da interpretação onde um programa escrito na nova linguagem entra como dados para um programa que irá fazer a interface com o processador.

2 Programa escrito em uma linguagem mais próxima do homem. Programa escrito em linguagem de maquina. Programa executavel Programa escrito em uma linguagem mais próxima do homem Programa escrito em linguagem de maquina. Processador Quanto mais próxima da linguagem de máquina menor é o número de instruções existentes e, portanto mais complexa e detalhada deve ser a programação. Por exemplo, em uma linguagem de nível baixo não existe a instrução de multiplicação, para efetuar multiplicações cria-se um programa que efetua somas sucessivas. As novas linguagens desenvolvidas não traduzem ou interpretam diretamente para linguagem de máquina e sim vão passando nos seus diversos níveis utilizando-se dos programas desenvolvidos nos níveis inferiores para chegar até a linguagem de máquina. Entretanto a, cada nível de linguagem é vista, pelo programador, urna máquina diferente do hardware original. Esta nova máquina é conhecida como máquina virtual e há uma relação intima entre uma linguagem e uma máquina virtual. Os computadores atuais possuem seis ou mais níveis de máquinas conforme podemos observar no quadro abaixo Nível de linguagem orientada para problemas Nível de linguagem de montagem Nível de sistema operacional Nível de máquina convencional Nível de microprogramação Nível de lógica digital Níveis da máquinas multiniveis

3 2.1 Nível de Lógica digital Este primeiro nível é formado pelo hardware onde pequenos circuitos eletrônicos digitais executam operações com os sinais elétricos. Estes pequenos circuitos são conhecidos como portas lógicas e utilizam as funções da álgebra booleana como base para execução de instruções. Figura 2-2 Circuito somador completo O circuito acima representa a função de soma de dois números binários através de portas lógicas. É por meio da construção destes pequenos circuitos lógicos que se dá a programação neste nível de linguagem. Quanto maior o número de instruções maior é a quantidade de circuitos a serem implementados aumentando seu custo e tamanho. 2.2 Nível de microprogramação Neste nível é onde encontramos a construção do microprocessador. Os fabricantes de processadores (Intel, Motorola. AMD, etc.), utilizando as técnicas desenvolvidas de fabricação de semicondutores, integraram em uma única unidade física (CHIP) os circuitos lógicos das funções criadas no nível inferior e adota uma nova estrutura de linguagem. É neste nível que começam as diferenças entre os processadores. Novas instruções são criadas para melhorar a performance e a programação dos computadores. Algumas instruções criadas chamam uma seqüência de instruções do nível inferior. 2.3 Nível da máquina convencional Neste nível encontramos uma linguagem própria para cada estrutura construída. Cada fabricante estabelece uma forma de acionar as funções construídas no nível inferior. Esta linguagem é conhecida como ASSEMBLER. Apresentamos abaixo um conjunto de instruções Assembler para colocar o conteúdo do registrador Dl na posição 2F00 da memória:

4 Instrução Assembler MOVED1,$2F00 MOV #2F00,D Processador MC Motorola MCS Intel LDHLF00H LD D,(HL) Z80 - Zilog A disputa do mercado de computadores tem aumentado as diferenças entre as linguagens de cada processador. Neste ponto é importante lembrar que os dispositivos acessórios (modem, placas de vídeo, etc.) também possuem linguagens específicas de programação desenvolvidas por cada fabricante. 2.4 Nível de sistema operacional No nível de sistema operacional é onde se observa o desenvolvimento de instruções mais complexas. Estas instruções tratam o hardware como um todo atingindo inclusive os dispositivos de interface. É neste nível que a linguagem de programação atinge diferenças significativas entre os fabricantes de processadores e computadores. Um sistema operacional desenvolvido para uma arquitetura MAC não funciona para uma arquitetura Sparc (Sun) da mesma forma que nenhum dos dois funciona para uma arquitetura IBM-PC. 2.5 Níveis de Linguagem de Montagem Este nível é o primeiro nível desenvolvido com o intuito de efetivamente fornecer uma ferramenta para programadores de aplicativos de uso geral. É uma linguagem desenvolvida como preparação para as linguagens de níveis superiores. Os programas desenvolvidos neste nível recebem o nome de montadores. Neste nível são desenvolvidas instruções simbólicas fornecendo métodos para escrever programas para os níveis inferiores. Estes programas são traduzidos para a linguagem dos níveis inferiores e posteriormente interpretados pela máquina real. 2.6 Nível de Linguagem Orientada para Problemas Este nível e nos superiores é que a maioria dos programadores atualmente está trabalhando. São os programas voltados para a criação de aplicativos. Neste nível encontram-se linguagens de programação tais como Basic, Fortran. Pascal, C etç. Estas linguagens são chamadas de linguagens de alto nível. Os programas desenvolvidos neste nível são traduzidos para o nível abaixo através de um tradutor conhecido como compilador. Neste processo cada linha de instrução é interpretada e reescrita de maneira que se chega a um novo programa escrito em linguagem de máquina também conhecido como executável.

5 3 Arquitetura de Computadores Os computadores são constituídos de uma série de níveis de máquinas virtuais, cada uma montada sobre o nível inferior e com características próprias. O conjunto das características visíveis ao usuário de cada nível é chamado de arquitetura. Desta maneira, ao estudarmos a arquitetura de computadores temos que levar em consideração qual é o nível de máquina virtual que estamos trabalhando. Por exemplo, se estivermos tratando ao nível de lógica digital, dados como disponibilidade de memória, placa de vídeo ou características da placa de rede não faz parte do estudo, por outro lado se estivermos tratando no nível de sistema operacional estes dados passam a fazer parte do estudo. Computador Apple Proc. Power PC Motorola Computador IBM PC Processador Intel WorkStation Sun Ultra Processador UltraSparcII 4 Evolução das Maquinas Multiniveis Os primeiros computadores digitais (década de 40) apresentavam somente dois níveis, o nível da máquina convencional e o nível da lógica digital. Estes computadores eram de difícil programação devido aos intrincados circuitos lógicos a serem montados. Por problemas construtivos o índice de confiabilidade era muito baixo. Sua performance era medida através do número de horas que este trabalhava por semana sem interrupção. Na década de 50 surgiu a idéia de construir um computador com 3 níveis onde um interpretador seria embutido de maneira a executar, interpretativamente, os programas em linguagem de máquina convencional. Como o hardware tinha apenas que executar microprogamas, que possuíam uma quantidade limitada de instruções, em vez programas na linguagem de máquina convencional, este necessitava de uma quantidade menor de circuitos simplificando o hardware e aumentado a confiabilidade. Muitos programas do tipo montadores e compiladores foram desenvolvidos nesta época visando reduzir o trabalho do programador. Neste período o programador era quem operava o computador. Na década de 60 surge o sistema operacional. Um programa armazenado no computador que monitorava as necessidades do programador. Nas primeiras linhas de programa era colocada a informação de qual compilador iria ser utilizado e o sistema operacional buscava em uma unidade de fita o compilador especificado. O compilador lia e compilava o programa escrito e ao término entregava o controle ao sistema operacional Surge aqui uma nova máquina virtual.

6 5 Hardware e Software O conjunto de circuitos eletrônicos que compõe o computador junto com a memória e os dispositivos de entrada e saídos é definido como Hardware. O conjunto de algoritmos e instruções para a execução de uma tarefa (programa) é chamado de Software. Uma forma intermediária entre o Hardware e o Software é o Firmware. O Firmware são programas desenvolvidos e armazenados de forma permanente dentro dos dispositivos eletrônicos. É importante salientar que qualquer operação definida pelo software pode ser implementada diretamente no hardware. Não existe critério rígido para adoção de quais operações serão desenvolvidas por software ou por hardware. A decisão de colocar esta ou aquela operação no hardware está vinculada a fatores como custo, velocidade, confiabilidade, freqüência de uso e freqüência de alteração. Inicialmente havia a tendência da colocação no nível de hardware as funções mais utilizadas tais como multiplicação, divisão, etc., entretanto, com o aparecimento das máquinas multiníveis estas funções passaram a fazer parte do nível da microprogramação. 6 Evolução da arquitetura de computadores Os computadores foram, ao longo do tempo, evoluindo em sua arquitetura dado os avanços tecnológicos da eletrônica. Esta evolução é determinada por gerações. A geração zero é a dos computadores mecânicos ( ). Apesar dos créditos da primeira máquina de calcular ser dada a Blaise Pascal a primeira calculadora mecânica foi criada pelo alemão Wilhelm Schickard em 1623, seu funcionamento era baseado em rodas dentadas e era capaz de efetuar adições, subtrações, multiplicações e divisões, posteriormente Blaise Pascal constrói em 1642 uma máquina de calcular utilizando o mesmo principio de engrenagens que tinha somente as operações de somar e subtrair. Por volta de 1670 o alemão Leibniz construiu uma outra máquina, semelhante à de Pascal, com a incorporação das funções de multiplicar e dividir. Figura Pascalina Figura Máquina de Leibnz Devido às dificuldades técnicas, as evoluções das máquinas de calcular demoraram muito para se concretizarem. Somente após 150 anos da criação de Leibniz tem-se um avanço significativo onde o Prof. da Universidade de Cambridge, Charles Babbage, projeta e constrói a máquina de diferenças.

7 Uma máquina mecânica projetada para executar um algoritmo simples. Babbage não satisfeito com o fato de seu invento não executar mais funções projetou e desenvolveu a máquina analítica. Esta máquina possuía quatro elementos: memória, unidade de cálculo, leitora de entrada de dados (cartões perfurados) e saída de dados. Por meio da entrada de dados podia-se programar, com uma linguagem simples, uma série de funções a serem executadas pela máquina. Babbage contratou Ada Augusta Lovelace para produzir os programas para sua máquina analítica e esta se tornou a primeira programadora de computador da história. Devido a dificuldades técnicas da época (séc. XIX) ele não conseguiu depurar seu invento. A primeira geração ( ) é a que utilizava os conceitos de eletrônica, através de válvulas, em sua construção. O primeiro computador eletrônico digital foi o Colossus. Criado durante a Segunda Guerra Mundial, ele foi desenvolvido com o objetivo de decifrar as mensagens dos alemães codificadas através da máquina de Lorenz (Enigma). Como o governo britânico manteve o projeto classificado como segredo militar, não foram construídas novas máquinas. O computador mais famoso desta época, e durante muito tempo considerado o primeiro computador eletrônico digital, foi o ENIAC (Electronic Numerical, Integrator and Computer, decimal/binário, 20 acumuladores de 10 dígitos, programado manualmente por chaves, válvulas, 30 toneladas, ocupava uma área de aprox. 1200m2 consumindo 140 kw de energia, sendo capaz de realizar 5000 adições por segundo). Construído por John Mauchly com financiamento do exército americano para cálculos de tabelas de alcance e calibragem de mira para artilharia pesada. Tornou-se operacional somente em Muitos outros computadores foram sendo desenvolvidos dentro das universidades americanas utilizando diversos conceitos (EDVAC, IAS, EDSAC, IBM 70x, utilizando memórias de ferrite.) Um computador em particular merece ser destacado devido a grande evolução do conceito e estrutura. A máquina de von Neumann é ainda a base da arquitetura dos computadores atuais. John von Neumann percebeu que a programação através de chaves e cabos era lenta e inflexível e que a aritmética decimal, até então utilizada, poderia ser substituída por uma aritmética binária paralela. Então construiu um computador, o primeiro a utilizar a idéia de um programa armazenado, que continha cinco partes básicas: memória, unidade lógico aritmética, unidade de controle de programas e equipamentos de entrada e saída. A primeira máquina a utilizar a estrutura de von Neumann foi o IAS desenvolvido pelo Institute for Advanced Studies em Princeton sob orientação de Neumann em 1952

8 A segunda geração ( ) substituía as válvulas eletrônicas pelos transistores. O primeiro computador transistorizado foi o TX-0. Em 1961 a Digital Equipment Corporation, uma empresa criada por Kenneth Olsen, lançou o PDP- 1. Um computador de 4K palavras (1k = 1024) de 18 bits. Uma das inovações trazidas pelo PDP-1 era um tubo de raios catódicos (monitor) que possibilitava a plotar pontos em uma tela de resolução de 512 x 512. O próximo avanço deu-se com o PDP-8 onde se inseriu a idéia de barramento. Um conjunto de fios paralelos interligava os diversos componentes do computador. A terceira geração ( ). A evolução da tecnologia dos semicondutores permitiu a integração dentro de uma única pastilha de silício os vários componentes do processador. O computador System/360, da IBM, foi projetado utilizando esta tecnologia (circuitos integrados) e, pode-se dizer, determinou o início desta nova geração devido às novidades tecnológicas que este continha A mais importante foi à introdução de uma única linguagem de montagem para todos os computadores da série. Outra novidade foi à possibilidade de multiprogramacão onde vários programas ficavam na memória de maneira a compartilhar o processador. Assim quando um programa estivesse aguardando a entrada ou saída de dados outro programa utilizava o processador. Intel 4004 primeiro microprocessador Figura 6-11-IBM/360 Na área dos minicomputadores a geração foi marcada pelo lançamento do PDP-11, um projeto similar ao 7360 com uma relação custo/desempenho similar mas de valor acessível às universidades. Devido aos baixos custos os minicomputadores tomaram-se populares entre as universidades e

9 empresas de pequeno porte. Suas limitações básicas estavam na velocidade e capacidade de processamento. A Quarta Geração ( ) utiliza os circuitos integrados da família VLSI (Very Large Scale Integration) que coloca milhões de transistores em uma única pastilha de silício. Esta tecnologia tornou os computadores menores, mais rápidos e com preço; mais acessíveis. Isto possibilitou o desenvolvimento dos computadores pessoais. Esta geração é marcada pela velocidade e capacidade de endereçamento crescente Duas empresas de semicondutores destacam-se pela quantidade de processadores em uso atualmente: Intel e Motorola. O computador que marca o início da geração dos microcomputadores é o Altair. Fabricado em 1975, com o processador Intel 8080 pela Model instrumentation Telemetry Systems foi o precursor da microinformática. Sua história está ligada ao inicio da Microsoft. Em 1976 é lançado o Apple II, a linha Apple II se tornou tão popular que sobreviveu até o início dos anos 90, quase uma década depois do lançamento do Macintosh. Nos anos seguintes, além de continuar aperfeiçoando a linha Apple II, a Apple começou a investir pesadamente no desenvolvimento de computadores com interface gráfica e mouse. A "inspiração" surgiu numa visita de Steve Jobs ao laboratório da Xerox, onde computadores com interface gráfica eram desenvolvidos desde a década de 70 (embora sem sucesso comercial, devido ao custo proibitivo). Um bom exemplo do impressionante trabalho desenvolvido pela Xerox ao longo da década de 1970 foi o Xerox Alto (final 1973), que é considerado a primeira estação de trabalho e também a primeira a ser ligada em rede. Apesar disso, ele acabou não entrou em produção devido ao custo. O desenvolvimento do Lisa serviu de base para o Macintosh, um computador mais simples, lançado em 1984, ele fez um grande sucesso, chegando a ameaçar o império dos PCs. A configuração era similar à dos PCs da época, com um processador de 8 MHz, 128 KB de memória e um monitor de 9 polegadas. A grande arma do Macintosh era o MacOS 1.0, um sistema inovador de vários pontos de vista. Ao contrário do MS-DOS ele era inteiramente baseado no uso da interface gráfica e mouse, o que o tornava muito mais fácil de ser operado. O MacOS continuou evoluindo e incorporando novos recursos, mas sempre mantendo a mesma idéia de interface amigável. Apple Macintosh interface grafica

10 O PC original foi uma tentativa da IBM de entrar no mercado de computadores domésticos, então dominado pelo Apple II, lançado em 12 de Agosto de 1981, o PC original tinha alguns recursos ótimos - e algumas limitações óbvias. Ele trazia um Processador Intel 8088 de 4,77 MHz, anunciado como um "microprocessador 16 bits de alta velocidade", mas tinha apenas um barramento de dados de oito bits. Inicialmente, a máquina vinha com 16 Kb de RAM padrão na placa-mãe, expansíveis para 64 Kb, mas seu Processador tinha uma capacidade maior, porque os 20 bits de endereços permitiam que o PC enviasse um megabyte de memória física, o que era um enorme progresso para a época. IBM PC 5150 Em resumo: Vacuum tube Transistor Small scale integration Mais 100 transistores por pastilha Medium scale integration, transistores por pastilha Large scale integration transistores por pastilha Very large scale integration transistores por pastilha Ultra large scale integration > transistores por pastilha Autor: Prof. Oswaldo Florio Filho, revisão: Prof. Nelson Alves. Bibliografia: Organização Estruturada de Computadores, Andrew S. Tannenbaum. Arquitetura e Organização de Computadores, STALLINGS, W Projeto e Organização de Computadores: A Interface Hardware / Software, PATTERSON, D.A.; HENNESSY, J.L.