FUNDAMENTOS DE ARQUITETURAS DE COMPUTADORES INTRODUÇÃO. Cristina Boeres

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1 FUNDAMENTOS DE ARQUITETURAS DE COMPUTADORES INTRODUÇÃO Cristina Boeres

2 Informações sobre o curso Página do curso: Avisos Datas de provas Material do curso Informações interessantes

3 Foco da disciplina O que é um computador Como informações são representadas por um computador Quais são os componentes de um computador. Como estes componentes se inter-relacionam para processar dados Como um programa é executado

4 Tópicos Histórico de arquitetura de computadores Visão geral da arquitetura de máquina Sistemas de numeração Representação de dados Componentes de um computador Unidade Central de Processamento Execução de programas Dispositivos de entrada e saída Arquiteturas avançadas de computadores

5 Bibliografia Organização e Projeto de Computadores, A Interface Hardware/Software Autores: David A. Patterson e John L. Hennessy, Editora LTC, Introdução à Organização de Computadores Autor: Mário A. Monteiro, Editora LTC, 5a. Edição Arquitetura e Organização de Computadores Autor: W. Stallings, Editora Prentice Hall Organização Estruturada de Computadores Autor: A. Tanenbaum, Editora LTC, 1999.

6 Introdução Conceitos Básicos Computador É uma máquina capaz de coletar, manipular e fornecer os resultados da manipulação de informações para um ou mais objetivos Equipamento de processamento eletrônico de dados Processamento de Dados É uma série de atividades realizadas para produzir informações a partir de outras informações coletadas inicialmente As informações iniciais são usualmente denominadas dados

7 Introdução Conceitos Básicos Dados (entrada) Processamento Informação (saída) Dado e Informação podem ser tratados como sinônimos ou como termos distintos Dado: matéria-prima obtida de uma ou mais fontes Informação: resultado do processamento (dado processado) A informação obtida em um processamento pode ser o dado de entrada de outro processamento

8 Introdução Conceitos Básicos Quando se estuda ou analisa um computador pode-se tratar o assunto sob dois pontos de vista diferentes: Organização do computador Aspectos da implementação da máquina Atributos relativos aos componentes físicos (frequência do relógio, sinais de controle, tecnologia de memória, etc) Entendimento é desnecessário ao programador Arquitetura do computador Aspectos que são visíveis para o programador Conjunto de instruções, modos de endereçamento, tipo e tamanho dos dados manipulados, etc

9 Introdução Conceitos Básicos Organização x Arquitetura Exemplo: Família de computadores x86 da Intel 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium III... O usuário troca de processador sem precisar alterar seus programas, pois toda a família emprega a mesma arquitetura Por outro lado, cada processador tem uma organização diferente, a qual afeta o seu desempenho

10 Introdução Conceitos Básicos Organização x Arquitetura Especificar se um computador deve ou não ter uma instrução de multiplicação constitui uma decisão de projeto de... ARQUITETURA Definir se essa instrução será implementada por uma unidade específica de multiplicação ou por um mecanismo que utiliza repetidamente sua unidade de soma é uma decisão de... ORGANIZAÇÃO

11 Introdução Conceitos Básicos Hardware Conjunto de componentes físicos do computador Transistores, monitores, teclado, disco rígido, mouse, etc O hardware requer uma instrução ou comando para realizar alguma atividade específica Software Conjunto de instruções (comandos) em uma sequência específica Programas de computador

12 Introdução Computadores Digitais O computador: constituído de um conjunto de componentes (hardware) capaz de realizar uma série de tarefas, de acordo com uma sequência de instruções específicas (software) O computador precisa de uma representação interna para: os dados que irá manipular para as instruções ou ordens dadas a um componente

13 Introdução Computadores Digitais Como uma série de informações e operações é entendida pelo computador? Qual a linguagem usada internamente pelo computador?

14 Introdução Computadores Digitais Em um processamento realizado por seres humanos Tanto os dados manipulados, quanto as instruções de processamento serão representados por símbolos conhecidos pelos humanos: Caracteres alfabéticos caracteres numéricos sinais de pontuação sinais matemáticos etc

15 Introdução Computadores Digitais No caso dos computadores, deve ser definida uma linguagem para representação interna de dados/instruções A representação é feita por dígitos São usados diferentes valores de tensão elétrica para representar estes dígitos Por que? Poderia ser representada pelos caracteres de uma linguagem que nós entendemos?

16 Introdução Computadores Digitais Assim, quando se deseja introduzir como dado o caractere a ou o caractere T: A máquina transforma o caractere em um valor numérico correspondente (código) Este código numérico é internamente representado por um valor de tensão específico Os cientistas que projetaram os primeiros computadores adotaram o sistema decimal para a representação interna ENIAC Representação se mostrou desvantajosa baixa confiabilidade alto custo

17 Introdução Computadores Digitais Foi adotado o sistema binário com o objetivo de aumentar a confiabilidade e diminuir o custo Dígitos 0 e 1 Para isso, também foram considerados fatores importantes como: O hardware básico é binário presença ou ausência de corrente elétrica A lógica básica de programação é do tipo: SE condição verdadeira ENTÃO faça assim... ENTÃO e SENÃO são caminhos binários

18 Introdução Computadores Digitais A linguagem utilizada internamente pelo computador é a linguagem de máquina composta apenas pelos dígitos 0 e 1 Para os seres humanos esta linguagem é difícil de compreender e fácil de acarretar erros Por esta razão foram inventadas linguagens de programação de alto nível que são mais próximas da linguagem natural humana. COBOL, Pascal, Fortran, C, C++, Java...

19 Introdução Computadores Digitais Como os computadores podem entender a linguagem que entendemos? Existem programas que convertem a linguagem de alto nível em linguagem de máquina para ser compreendida pelo computador tradutores interpretadores

20 Introdução Sistemas de Computação Um sistema é um conjunto de partes ordenadas que cooperam/concorrem para atingir um objetivo comum Sistema de computação: conjunto de partes (memória, teclado, processador, periféricos, programas básicos) que se coordenam para a realização de um objetivo: computar Sistemas de processamento de dados: Sistemas de computação (hardware ou software básico fornecido pelo fabricante) Sistemas de aplicação (programas desenvolvidos pelo usuário)

21 Introdução Sistemas de Computação Qualquer processamento de dados requer a execução de uma série de etapas Tais etapas, elaboradas e executadas passo a passo, constituem o que se chama de programa Cada passo é uma diferente instrução dada ao hardware O programa é um conjunto de instruções Algoritmo é um conjunto finito de instruções/etapas ordenadas para a solução de um problema

22 Introdução Sistemas de Computação Exemplo de algoritmo para a soma de 100 números 1. Escrever e guardar N=0 e SOMA=0 2. Ler número da entrada 3. Somar valor do número lido ao conteúdo de SOMA 4. Somar 1 ao valor de N 5. Se N for menor do que 100, voltar ao passo 2 6. Senão imprimir valor de SOMA 7. Parar

23 Introdução Sistemas de Computação Para ser executado o algoritmo deve ser formalizado em uma linguagem de programação O computador entende a linguagem de máquina Porém, os programas são codificados em linguagens de alto nível que são mais próximas do entendimento dos programadores

24 Introdução Sistemas de Computação Exemplo: Programa em Pascal Program Soma100numeros; var N, soma, num: integer; Begin soma := 0; for N := 1 to 100 do begin read(num); soma := soma + num; end; write(soma); End.

25 Introdução Sistemas de Computação Como, a partir de um programa em uma linguagem de alto nível, ocorre a solução do problema desejado? Tradução realizada por um software no sistema computacional Bibliotecas necessárias Geração de um executável (aplicativo, por exemplo) que pode ser executado no sistema em questão Executável compatível com o sistema e arquitetura

26 Histórico dos Computadores Temos a seguinte divisão: Dispositivos mecânicos (ábaco a Babbage) Dispositivos Eletromecânicos (cartão Hollerith ao Mark I) Dispositivos Eletrônicos (até o ENIAC) Computadores equipamentos eletrônicos de processamento de dados Com válvulas (1ª geração) Com transistores (2ª geração) Com circuitos integrados (3ª geração) Com circuitos integrados em larga escala VLSI (4ª geração)

27 Histórico Dispositivos Mecânicos (3000 a.c. 1880) O conceito de efetuar cálculo com equipamentos vem dos chineses, com registros em 2500 a 3000 a.c. Os chineses desenvolveram e aperfeiçoaram o ÁBACO O ÁBACO era utilizado para cálculos aritméticos simples

28 Histórico Século XVII (em 1642) O francês Blaise Pascal inventou uma máquina para cálculos Contador mecânico que realizava operações de soma e subtração Usava rodas e engrenagens e funcionava através de uma manivela Pode ser considerada a primeira máquina de calcular

29 Histórico 1823 Charles Babbage Máquina de diferenças: Dispositivo mecânico que somava e subtraía e cujos cálculos matemáticos se baseavam no método de diferenças finitas que permitia o cálculo de polinômios Seu aspecto mais importante era o método de saída: imprimia o resultado em uma placa de cobre para posterior impressão em papel Valores de até 15 algarismos e polinômios de 3º grau

30 Histórico 1843 Charles Babbage Máquina Analítica A máquina possuía um programa que podia mudar seu funcionamento, podendo realizar diferentes cálculos Um computador mecânico que possuía: memória, processador e saída Era de uso geral, lia instruções de cartões e executava Era programável precisava de um software Babbage contratou Ada Lovelace primeira programadora do mundo Babbage não conseguiu completar a construção desta máquina Precursora dos primeiros computadores eletrônicos

31 Histórico Máquina Analítica Computer History Museum Máquina de Diferenças Museu de Ciências de Londres

32 Histórico Em 1889, Herman Hollerith desenvolveu o cartão perfurado para guardar dados uma máquina tabuladora mecânica que contava, classificava e ordenava cartões perfurados Esta máquina foi usada no censo americano em 1890 O censo foi apurado em 2 anos e meio com a máquina, bem mais rápido que o anterior que havia levado dez anos Em 1896 Hollerith fundou uma empresa Em 1914 a empresa de Hollerith se juntou com outras duas e formou a Computer Tabulating Recording Corporation Em 1924 esta empresa mudou o nome para International Business Machine

33 Histórico Máquina de Hollerith

34 Histórico O próximo marco da evolução ocorreu em 1935 Um estudante alemão, Konrad Zuse, inventou a primeira máquina de calcular eletromecânica A máquina usava relés mecânicos, que atuavam como chaves e podiam abrir e fechar automaticamente O uso de relés levou à utilização de números binários, em vez de algarismos decimais que eram usados nas máquinas de Babbage Em 1944, foi inventado o Mark I Baseado nas máquinas de Babbage com engrenagens decimais Usava relés eletromecânicos

35 Histórico O problema das máquinas mecânicas e eletromecânicas residia em dois fatos: Baixa velocidade de processamento Falta de confiabilidade Os cientistas se dedicaram para desenvolver um componente eletrônico válvula, 1906

36 Histórico 1ª Geração de Computadores Computadores à válvulas ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer) O primeiro computador eletrônico de uso geral Foi projetado por John Mauchly e John Eckert, entre 1943 e 1946 Foi desenvolvido na Universidade da Pensilvânia, sendo financiado pelo governo americano O objetivo era criar uma máquina que auxiliasse os militares em cálculos de artilharia Funcionou até 1955

37 ENIAC

38 Histórico 1ª Geração de Computadores ENIAC Continha mais de válvulas e 800 quilômetros de cabo Pesava 30 toneladas Era extremamente rápido para época, realizando cerca de operações por segundo A programação era feita através de chaves manuais O volume de processamento foi superado pelas calculadora portáteis em 1970 Era de difícil operação e manutenção dispendiosa A cada 5 minutos uma válvula se queimava

39 Histórico 1ª Geração de Computadores Os criadores do ENIAC iniciaram a construção de um novo computador, o EDVAC Em 1945, John Von Neumann publicou um documento chamado: First Draft of a Report on the EDVAC Definia as características essenciais de uma máquina sequencial de programa armazenado Introduzia aperfeiçoamentos para reduzir os inconvenientes do ENIAC, como por exemplo a alteração da aritmética decimal para binária Von Neumann foi responsável pela definição de uma arquitetura de computadores com programa armazenado, que é empregada até hoje

40 John von Neumann Físico e matemático do século XX, figura importante na história da computação. Propôs a Arquitetura de Von Neumann Computador eletrônico de programa armazenado Código e dados em memória única. (Quase) a mesma empregada até hoje Consequência da memória única: Impossível ler instrução e dados simultaneamente Gargalo de Von Neumann.

41 Histórico 1ª Geração de Computadores Em 1946, Von Neumann e outros cientistas de Princeton iniciaram a construção de um novo computador eletrônico de programa armazenado IAS O IAS possuía as seguintes características: 4 unidades principais: Memória, UC, ULA e E/S Possuía memória com 1000 posições, chamadas palavras, cada uma podendo armazenar um valor com 40 dígitos binários Dados e instruções eram representados da mesma forma binária e armazenados na memória Possuía 21 instruções de 20 bits cada uma, constituídas de dois campos, um com 8 bits (opcode) e outro com 12 bits (endereço) Operava de modo repetitivo, executando um ciclo de instrução após o outro. Cada ciclo constituía de dois subciclos: ciclo de busca e ciclo de execução

42 Histórico 2ª Geração de Computadores Computadores Transistorizados A introdução dos transistores tornou os computadores mais confiáveis O transistor realiza as mesmas funções de uma válvula, porém consome muito menos energia e calor. Além disso, seu tamanho é muito menor que o de uma válvula Esta geração de computadores teve participação ativa da IBM, que se firmou como a companhia mais importante na produção de máquinas científicas Surgem as primeiras linguagens de programação de alto nível, como por exemplo o FORTRAN

43 Histórico 2ª Geração de Computadores Cartão Perfurado da Linguagem FORTRAN

44 Histórico 2ª Geração de Computadores IBM-1401

45 Histórico 3ª Geração de Computadores Circuitos Integrados O ponto importante do conceito de circuitos integrados é que se pode formar múltiplos transistores em um único elemento de silício (chip) Proporcionava uma melhor relação custo-benefício em comparação aos computadores da segunda geração Mais barato Mais eficiente Menores Surge o IBM 360 a primeira linha de computadores a usar circuitos integrados de pequena escala

46 Histórico 3ª Geração de Computadores A série 360 incorporou inovações que se tornaram um marco histórico, como por exemplo (1965): O conceito de família de computadores. Permite que o fabricante ofereça o mesmo tipo de máquina com diferentes capacidades e preços O emprego da técnica de multiprogramação Vários programas compartilham a memória principal e dividem o uso da CPU, dando a impressão ao usuário que estão sendo executados simultaneamente.

47 Histórico 3ª Geração de Computadores Modelo inicial capaz de executar instruções por segundo. No máximo 64 KB de memória Último modelo lançado em 1978 Até hoje, IBM mantém algum nível de compatibilidade das aplicações com servidores atuais

48 Histórico 4ª Geração de Computadores Circuitos Integrados em Larga Escala (VLSI) Caracteriza uma classe de dispositivos eletrônicos capazes de armazenar, em um único invólucro, milhares e até milhões de diminutos componentes Chips com milhares de transistores por cm 2 de silício A técnica de miniaturização de componentes eletrônicos, conduziu por volta de 1972 o desenvolvimento de computadores pessoais ou microcomputadores Os microcomputadores tinham preços mais acessíveis, o que tornou possível que um indivíduo tivesse seu próprio PC O 1º IBM PC usava o processador Intel 8088 e o sistema operacional DOS

49 O Microcomputador Em 1975, a MITS (Micro Instrumentation Telemetry Systems) lança o Altair 8080 Primeiro microcomputador Capacidade relativamente baixa Uso individual Menor Mais barato. Baseado no CPU Intel 8080, processador de 8 bits da Intel Tinha um interpretador da linguagem Basic. Desenvolvido por Bill Gates e Paul Allen.

50 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 PCcompatible.

51 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

52 Evolução dos Processadores Até meados de 1965 não havia nenhuma previsão real sobre o futuro do hardware O presidente da Intel, Gordon E. Moore fez sua profecia Lei de Moore o número de transistores dos chips teria um aumento de 100%, pelo mesmo custo, a cada período de 2 anos.

53 Evolução dos Processadores Lei de Moore

54 Top 500 ( Lista com os 500 computadores mais rápidos do mundo O Top500 funciona como um termômetro do avanço da computação no mundo. O poder dos supercomputadores é tão grande que sua habilidade é medida em petaflop por segundo (quadrilhões de operações por segundo). Pela sexta vez consecutiva, o computador mais rápido do mundo é chinês O Tianhe-2, o computador mais rápido do mundo, teve sua capacidade medida em petaflop/s. O supercomputador Tianhe-2 é de propriedade do governo da China e é operado pela Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa. Ele é usado como uma ferramenta educacional e de pesquisa.

55 Tianhe-2