História e Organização Básica de Computadores

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1 História e Organização Básica de Computadores Arquitetura de Computadores

2 Introdução Durante a evolução do computador digital moderno foram projetadas e construídas centenas de diferentes tipos de computadores. Grande parte já foi esquecida há muito tempo, mas alguns causaram um impacto significativo sobre ideias modernas. Prof. Me. Newton Carlos Will 2

3 Geração Zero ( ) (1/12) A primeira pessoa a construir uma máquina de calcular operacional foi o cientista francês Blaise Pascal ( ). Foi construído em 1642, quando Pascal tinha apenas 19 anos, e foi projetado para ajudar seu pai, um coletor de impostos do governo francês. Era inteiramente mecânico, usava engrenagens e funcionava com uma manivela operada à mão. Podia efetuar apenas operações de soma e subtração. Prof. Me. Newton Carlos Will 3

4 Geração Zero ( ) (2/12) Máquina de Pascal (La Pascaline). Prof. Me. Newton Carlos Will 4

5 Geração Zero ( ) (3/12) Trinta anos mais tarde o matemático alemão Gottfried Wilhelm von Leibniz ( ), construiu outra máquina mecânica que também podia multiplicar e dividir. Prof. Me. Newton Carlos Will 5

6 Geração Zero ( ) (4/12) Em 1822, Charles Babbage ( ), então professor de matemática da Universidade de Cambridge e inventor do velocímetro, apresentou a sua Máquina Diferencial. Era um dispositivo mecânico que, assim como o de Pascal, só podia somar e subtrair. Foi projetado para calcular tabelas de números úteis para a navegação naval e fazia as operações através do método de diferenças finitas que usava polinômios. Prof. Me. Newton Carlos Will 6

7 Geração Zero ( ) (5/12) Máquina Diferencial de Babbage. Prof. Me. Newton Carlos Will 7

8 Geração Zero ( ) (6/12) Embora a máquina diferencial funcionasse razoavelmente bem, Babbage se empenhou no projeto e construção de uma sucessora denominada Máquina Analítica. Também era inteiramente mecânica e era composta por quatro componentes: A armazenagem (memória). O moinho (unidade de cálculo). A seção de entrada (leitora de cartões perfurados). A seção de saída (saída perfurada e impressa). Prof. Me. Newton Carlos Will 8

9 Geração Zero ( ) (7/12) Máquina Analítica de Babbage. Prof. Me. Newton Carlos Will 9

10 Geração Zero ( ) (8/12) O grande avanço da máquina analítica era ser de uso geral. Lia instruções de cartões perfurados e as executava. Perfurando um programa diferente nos cartões de entrada, era possível fazer com que a máquina analítica realizasse cálculos diversos. Prof. Me. Newton Carlos Will 10

11 Geração Zero ( ) (9/12) Visto que a máquina analítica era programável em uma linguagem de montagem simples, ela precisava de software. Para produzir este software, Babbage contratou uma jovem de nome Ada Augusta Lovelace. Assim, Ada Lovelace foi a primeira programadora de computadores do mundo. A linguagem de programação Ada tem esse nome para homenageá-la. Prof. Me. Newton Carlos Will 11

12 Geração Zero ( ) (10/12) Infelizmente Babbage nunca conseguiu depurar completamente o hardware. O problema era que ele precisava de milhares de dentes e engrenagens produzidos com um grau de precisão que a tecnologia do século XIX não podia oferecer. Ainda assim, suas ideias estavam muito à frente de sua época e até hoje a maioria dos computadores modernos tem uma estrutura muito semelhante à da máquina analítica. Prof. Me. Newton Carlos Will 12

13 Geração Zero ( ) (11/12) No final da década de 1930, um estudante de engenharia alemão chamado Konrad Zuse, sem conhecer o trabalho de Babbage, construiu uma série de máquinas calculadoras automáticas usando relés eletromagnéticos. Suas máquinas foram destruídas pelo bombardeio aliado em Berlim em 1944, portanto seu trabalho não teve nenhuma influência sobre as máquinas subsequentes. Prof. Me. Newton Carlos Will 13

14 Geração Zero ( ) (12/12) Um pouco mais tarde, nos Estados Unidos, duas pessoas também projetaram calculadoras. John Atanasoff, no Iowa State College, usando aritmética binária e a memória composta por capacitores recarregados periodicamente para impedir fuga de carga. Processo utilizado nas memórias DRAM modernas. A máquina de Atanasoff nunca se tornou funcional. George Stibbitz no Bell Labs, mais primitivo e funcional. Prof. Me. Newton Carlos Will 14

15 A Primeira Geração ( ) (1/12) O estímulo para o computador eletrônico foi a Segunda Guerra Mundial. Durante a fase inicial da guerra, submarinos alemães estavam causando devastação em navios britânicos. As instruções de comando dos almirantes alemães em Berlim eram enviadas aos submarinos por rádio, as quais os britânicos podia interceptar, e interceptavam. O problema era que essas mensagens eram codificadas usando um dispositivo denominado ENIGMA, cujo antecessor foi projetado por Thomas Jefferson. Prof. Me. Newton Carlos Will 15

16 A Primeira Geração ( ) (2/12) A inteligência britânica conseguiu uma máquina ENIGMA no início da guerra. Para decodificar as mensagens, o governo britânico montou um laboratório que construiu o primeiro computador eletrônico, denominado COLOSSUS. Alan Turing ajudou no projeto. A máquina funcionava desde 1943, mas foi tratada como segredo militar durante 30 anos. Prof. Me. Newton Carlos Will 16

17 A Primeira Geração ( ) (3/12) COLOSSUS. Prof. Me. Newton Carlos Will 17

18 A Primeira Geração ( ) (4/12) Nos EUA, o exército precisava de tabelas de alcance para mirar sua artilharia pesada. Estas tabelas eram produzidas por centenas de mulheres fazendo os cálculos com calculadoras de mão. Era um processo demorado e frequentemente surgiam erros. Em 1943, John Mauchley e J. Presper Eckert, financiados pelo exército, passaram a construir um computador eletrônico ao qual deram o nome de ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer). Prof. Me. Newton Carlos Will 18

19 A Primeira Geração ( ) (5/12) O ENIAC consistia em 18 mil válvulas e 1500 relés, pesava 30 toneladas e consumia 140 quilowatts de energia. O ENIAC era programado com o ajuste de até 6 mil interruptores. A construção da máquina só foi concluída em 1946, após a rendição dos japoneses. Prof. Me. Newton Carlos Will 19

20 A Primeira Geração ( ) (6/12) ENIAC. Prof. Me. Newton Carlos Will 20

21 A Primeira Geração ( ) (7/12) Eckert e Mauchley logo começaram a trabalhar em um sucessor, o EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Esse projeto ficou fatalmente comprometido quando eles deixaram a Universidade da Pensilvânia para fundar uma nova empresa, a Eckert-Mauchley Computer Corporation, na Filadélfia. Prof. Me. Newton Carlos Will 21

22 A Primeira Geração ( ) (8/12) Enquanto Eckert e Mauchley trabalhavam no EDVAC, uma das pessoas envolvidas no projeto ENIAC, John von Neumann, foi para o Institute of Advanced Studies de Princeton para construir sua própria versão do EDVAC, a Máquina IAS. Prof. Me. Newton Carlos Will 22

23 A Primeira Geração ( ) (9/12) Neumann percebeu que programar computadores com quantidades imensas de interruptores e cabos era uma tarefa lenta, tediosa e mecânica. O processo de programação poderia ser facilitado se o programa pudesse ser representado em uma forma adequada para armazenamento na memória junto com os dados. Alan Turing desenvolveu a ideia praticamente ao mesmo tempo. Prof. Me. Newton Carlos Will 23

24 A Primeira Geração ( ) (10/12) Neumann também percebeu que a desajeitada aritmética decimal usada no ENIAC podia ser substituída pela aritmética binária, algo que Atanasoff tinha percebido anos antes. A máquina IAS, embora não concluída antes de 1952, é o protótipo de todos os computadores de uso geral. Prof. Me. Newton Carlos Will 24

25 A Primeira Geração ( ) (11/12) A estrutura geral da máquina IAS consistia em: Uma memória principal, que armazena dados e instruções. Uma unidade lógica e aritmética (ULA) capaz de operar sobre dados binários. Uma unidade de controle, que interpreta as instruções na memória e faz com que sejam executadas. Equipamento de entrada e saída (E/S) operado pela unidade de controle. Prof. Me. Newton Carlos Will 25

26 A Primeira Geração ( ) (12/12) Máquina IAS e John von Neumann. Prof. Me. Newton Carlos Will 26

27 A Segunda Geração ( ) (1/2) A primeira mudança importante no computador veio com a substituição da válvula pelo transistor. O transistor é menor, mais barato e dissipa menos calor que uma válvula. Diferente da válvula, que exige fios, placas de metal, uma cápsula de vidro e um vácuo, o transistor é um dispositivo de estado sólido, feito de silício. Foi inventado no Bell Labs em 1948 por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, pelo qual receberam o Prêmio Nobel de Física em Prof. Me. Newton Carlos Will 27

28 A Segunda Geração ( ) (2/2) O uso do transistor define a segunda geração de computadores. Cada nova geração é caracterizada por maior desempenho de processamento, maior capacidade de memória e tamanho menor que a anterior. A segunda geração viu a introdução de unidades lógicas e aritméticas e unidades de controle mais complexas, o uso de linguagens de programação de alto nível e a disponibilidade do software de sistema com o computador. Prof. Me. Newton Carlos Will 28

29 A Terceira Geração ( ) Os primeiros computadores de segunda geração continham cerca de 10 mil transistores. Esse número cresceu para centenas de milhares, tornando a manufatura de máquinas mais novas e mais poderosas cada vez mais difícil. A invenção do circuito integrado de silício por Robert Noyce em 1958 permitiu que dezenas de transistores fossem colocados em um único chip. Prof. Me. Newton Carlos Will 29

30 A Quarta Geração (1980?) (1/2) Na década de 1980, a VLSI (Very Large Scale Integration) tinha possibilitado colocar primeiro dezenas de milhares, depois centenas de milhares e, por fim, milhões de transistores em um único chip. Esse desenvolvimento logo levou a computadores menores e mais rápidos. Prof. Me. Newton Carlos Will 30

31 A Quarta Geração (1980?) (2/2) No início, os computadores eram tão grandes e caros que empresas e universidades tinham de ter departamentos especiais denominados centrais de computação para usá-los. Com a chegada do minicomputador, cada departamento podia comprar seu próprio computador. Em 1980, os preços caíram tanto que era viável um único indivíduo ter seu próprio computador. Tinha começado a era do computador pessoal. Prof. Me. Newton Carlos Will 31

32 Componentes do Computador (1/16) No nível superior, um computador consistem em CPU, memória e componentes de E/S, com um ou mais módulos de cada tipo. Esses componentes são interconectados de alguma forma para realizar a função básica do computador, que é executar programas. Podemos descrever um sistema de computação descrevendo o comportamento externo de cada componente. Prof. Me. Newton Carlos Will 32

33 Componentes do Computador (2/16) Praticamente todos os projetos de computadores modernos são baseados em conceitos desenvolvidos por John von Neumann. Esse projeto é baseado em três conceitos principais: Dados e instruções são armazenados em uma única memória de leitura e escrita. O conteúdo dessa memória é endereçável por local, sem considerar o tipo de dados nele contido. A execução ocorre em um padrão sequencial. Prof. Me. Newton Carlos Will 33

34 Componentes do Computador (3/16) Existe um pequeno conjunto de componentes lógicos básicos que podem ser combinados de diversas maneiras para armazenar dados binários e realizar operações aritméticas e lógicas sobre esses dados. Se houver um cálculo em particular a ser realizado, uma configuração de componentes lógicos projetados especificamente para esse cálculo poderia ser construída. Prof. Me. Newton Carlos Will 34

35 Componentes do Computador (4/16) Podemos pensar no processo de conexão dos vários componentes na configuração desejada como uma forma de programação. O programa resultante está na forma de hardware e é chamado de programa hardwired. Dados Sequência de funções aritméticas e lógicas Resultados Prof. Me. Newton Carlos Will 35

36 Componentes do Computador (5/16) Agora considere um modelo de organização mais "flexível", onde o conjunto de componentes estejam conectados de forma capaz de executar várias funções distintas, no qual sua execução varie de acordo com os sinais de controle que forem aplicados. Este é o principio da programação de softwares. Prof. Me. Newton Carlos Will 36

37 Componentes do Computador (6/16) Com o hardware de uso geral, o sistema aceita dados e sinais de controle e produz os resultados. Assim, em vez de religar o hardware para cada novo programa, o programador simplesmente precisa fornecer um novo conjunto de sinais de controle. Prof. Me. Newton Carlos Will 37

38 Componentes do Computador (7/16) Como os sinais de controle devem ser fornecidos? O programa inteiro é uma sequencia de etapas. Em cada etapa, alguma operação aritmética ou lógica é realizada sobre alguns dados. Para cada etapa, um novo conjunto de sinais de controle é necessário. Para isso, acrescenta-se ao hardware de uso geral um segmento que pode aceitar um código e gerar sinais de controle. Prof. Me. Newton Carlos Will 38

39 Componentes do Computador (8/16) Programação no software Códigos de instrução Interpretador de instrução Dados Sinais de controle Funções aritméticas e lógicas de uso geral Resultados Prof. Me. Newton Carlos Will 39

40 Componentes do Computador (9/16) A programação agora é muito mais fácil. Em vez de religar o hardware para cada novo programa, tudo o que precisa ser feito é oferecer uma nova sequência de códigos. Cada código é uma instrução, e parte do hardware interpreta cada instrução e gera sinais de controle. Uma sequência de códigos ou instruções é chamada de software. Prof. Me. Newton Carlos Will 40

41 Componentes do Computador (10/16) Temos dois componentes importantes do sistema: um interpretador de instrução e um módulo para funções aritméticas e lógicas de uso geral. Esses dois constituem a CPU. Vários outros componentes são necessários para resultar em um computador funcionando. Prof. Me. Newton Carlos Will 41

42 Componentes do Computador (11/16) Dados e instruções precisam ser colocados no sistema e para isso precisamos de algum tipo de módulo de entrada. Esse módulo contém componentes básicos para aceitar dados e instruções em alguma forma e convertê-los para uma forma interna de sinais que possam ser usados pelo sistema. Também é necessário um meio de informar resultados, e este tem a forma de um módulo de saída. Juntos, estes são chamados de componentes de E/S. Prof. Me. Newton Carlos Will 42

43 Componentes do Computador (12/16) Mais um componente é necessário: um dispositivo de entrada que trará dados e instruções sequencialmente. Mas um programa não é invariavelmente executado de forma sequencial. De modo semelhante, as operações sobre dados podem exigir acesso a mais do que apenas um elemento de cada vez em uma sequência predeterminada. Assim, deverá haver um lugar para armazenar instruções e dados temporariamente. Prof. Me. Newton Carlos Will 43

44 Componentes do Computador (13/16) Esse módulo é chamado de memória. Ou memória principal, para distingui-la do armazenamento externo, ou dispositivos periféricos. Von Neumann indicou que a mesma memória poderia ser usada para armazenar tanto instruções quanto dados. Prof. Me. Newton Carlos Will 44

45 Componentes do Computador (14/16) A CPU troca dados com a memória. Para essa finalidade, ela normalmente utiliza dois registradores internos: Um registrador de endereço de memória (MAR) Especifica o endereço na memória para a próxima leitura ou escrita. Um registrador de buffer de memória (MBR) Contém os dados a serem escritos na memória ou recebe os dados lidos da memória. Prof. Me. Newton Carlos Will 45

46 Componentes do Computador (15/16) De modo semelhante, um registrador de endereço de E/S (I/O AR) especifica um dispositivo de E/S em particular. Um registrador de buffer de E/S (I/O BR) é usado para troca de dados entre um módulo de E/S e a CPU. Prof. Me. Newton Carlos Will 46

47 Componentes do Computador (16/16) Um módulo de memória consiste em um conjunto de locais, definidos por endereços numerados sequencialmente. Cada local contém um número binário que pode ser interpretado como uma instrução ou um dado. Um módulo de E/S transfere dados dos dispositivos externos para a CPU e a memória, e vice-versa. Ele contém buffers internos para manter esses dados temporariamente até que possam ser enviados. Prof. Me. Newton Carlos Will 47

48 PC IR CPU MAR MBR Memória principal Instrução Instrução Unidade de execução I/O AR I/O BR Módulo de E/S Buffers Instrução Dados Dados Dados Dados PC IR MAR MBR I/O AR I/O BR n 2 n 1 = Contador de programa = Registrador de instrução = Registrador de endereço de memória = Registrador de buffer de memória = Registrador de endereço de entrada/saída = Registrador de buffer de entrada/saída Prof. Me. Newton Carlos Will 48