Introdução à Organização e Arquitetura de Computadores (Parte II)

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1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Paraíba Unidade Acadêmica de Informação e Comunicação Curso Superior de Tecnologia em Redes de Introdução à Organização e Arquitetura de (Parte II) Prof.a Maria de Lourdes do Nascimento Neta Joseana Macêdo Fechine Régis de Araújo Carga Horária: 83 horas

2 Agenda Gerações de Leis de Moore e Nathan Tipos de Famílias de Pentium 4 UltraSparc III

3 Geração Zero: Mecânicos ( ) A Primeira Geração: Válvulas ( ) A Segunda Geração: Transistores ( ) A Terceira Geração: Circuitos Integrados ( ) A Quarta Geração: Integração de Circuitos em Escala Muito Alta (1980-?) A Quinta Geração: invisíveis 3

4 Geração Zero ( ) Caracterizada inicialmente por máquinas de cálculo mecânico Realizavam operações matemáticas básicas Adição, subtração, multiplicação e divisão No final desta geração tem-se máquinas eletromecânicas a base de relés. 4

5 Geração Zero ( ) Exemplos Máquina de Pascal: Dispositivo inteiramente mecânico, usava várias engrenagens, acionado por uma alavanca (1642). Máquina de Leibnitz: Equivalente às calculadoras de bolso que efetuam as quatro operações (1671). 5

6 Geração Zero ( ) Exemplos Máquina Diferencial: invento de Charles Babage, realizava operações de adição e subtração, processava único algoritmo (Método das Diferenças Finitas), resultado das operações era perfurado em pratos de cobre (1822). 6

7 Geração Zero ( ) Exemplos Máquina Analítica: invento de Charles Babage, possuía 4 componentes (unidade de entrada, unidade de saída, unidade de memória, unidade de computação), máquina programável. 7

8 Geração Zero ( ) Exemplos Mark I (invento de Howard Aiken) primeiro computador eletromecânico (relés) construído: tinha 72 palavras de 23 dígitos decimais e o tempo de execução de uma instrução 6 segundos. 8

9 1ª Geração ( ) A válvula é o componente básico Grande Esquentava muito Gastava muita energia elétrica ocupavam muito espaço físico. Tinham, dispositivos de Entrada/Saída primitivos (através da cartões perfurados). Eram aplicados em campos científicos e militares. Linguagem de programação: linguagem de máquina. Operações internas mediam-se em milissegundos. 9

10 1ª Geração ( ) - Exemplos Colossus (Alan Turing) operacional em Motivação: decodificar a máquina alemã ENIGMA. ENIAC desenvolvido por cientistas americanos. Motivação: fins militares de cálculo de direção de tiros. 10

11 1ª Geração ( ) Exemplos Outros: EDSAC, EDVAC, JOHNIAC, ILLIAC, MANIAC, WEIZAC... John Von Neuman foi consultor do projeto ENIAC e projetista do IAS (Institute of Advanced Studies Princeton) Máquina de Von Neumann conceitos básicos: Memória, Unidade Aritmética Lógica Unidade de controle e Dispositivos de entrada/saída 11

12 1ª Geração ( ) Exemplos MIT desenvolve o Whirlwind I palavra de 16 bits e controle de processos em tempo real. IBM 701 primeiro computador de grande porte da IBM (utilizado na guerra da Coréia) 12

13 2ª Geração ( ) O transistor é o componente básico Tamanho menor que a válvula Esquentava menos Gastava menos energia elétrica Mais durável e confiável As máquinas diminuíram muito em tamanho e suas aplicações passam além da científica e militar a administrativa e gerencial. Surgem as primeiras linguagens de programação. Além dos núcleos de ferrite, fitas e tambores magnéticos passam a ser usados como memória. Operações internas mediam-se em microssegundos. 13

14 2ª Geração ( ) - Exemplos Primeiro Computador transistorizado (MIT) TX-0 (Transistorized experimental computer 0) DEC Digital Equipment Corporation PDP-1 (4 K palavras de 8 bits e clock com período de 5μs, preço: dólares). PDP-8 (máquina de 12 bits, preço: dólares, barramento único). IBM (Início do domínio) 7090, 7094 (clock com período de 2μs, memória de 32 K palavras de 36 bits cada) (uso comercial). 14

15 2ª Geração ( ) - Exemplos PDP-1 Barramento Omnibus do PDP-8 15

16 2ª Geração ( ) Exemplos CDC (Control Data Corporation) 6600 (alta velocidade, conceito de processamento paralelo, hardware composto de um conjunto de pequenos processadores), denominação atual: Supercomputadores. Sucessores do 6600: 7600 e Cray-1 Burroughs B5000 Máquina construída com o objetivo de rodar programas escritos em Algol 60. Fortalecimento do software 16

17 3ª Geração ( ) Marco inicial: surgimento dos C.Is O LSI passa a ser o componente básico O LSI ficou conhecido como chip Pequena pastilha de silício de 1 cm 2 Composto de milhares de transistores Os computadores diminuíram de tamanho e aumentaram seu desempenho. Evolução dos Sistemas Operacionais, surgimento da multiprogramação, real time e modo interativo. A memória é feita de semicondutores e discos magnéticos. Operações internas mediam-se em nanossegundos. 17

18 3ª Geração ( ) - Exemplos 1961: IBM Família IBM/360 Multiprogramação, 16 registradores de 32 bits, espaço de endereçamento: 16 Mbytes. 18

19 4ª Geração (1980-?) Tem como marco inicial o surgimento do microprocessador. O VLSI é o componente básico (menor que o LSI) Houve a miniaturização dos computadores Nesta geração é que surgiram os microcomputadores PC Surgem muitas linguagens de alto-nível e nasce a teleinformática, transmissão de dados entre computadores através de rede. Operações internas mediam-se em picossegundos. 19

20 Apple I Apple II IBM PC Osborne I 20

21 4ª Geração (1980-?) informações adicionais Meados da Década de 1980 Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) em substituição a Arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer) Anos 1990 Processadores Superescalares (execução de várias instruções simultaneamente) 21

22 5ª Geração Devido ao avanço tecnológico o conceito de geração torna-se obsoleto. Seriam baseados em Inteligência Artificial e Computação Quântica tecnologia em desenvolvimento Caracterizada como mudança de paradigma do que uma nova arquitetura específica. Exemplos: computadores invisíveis, embutidos em eletrodomésticos, relógios, cartões bancários e diversos outros dispositivos. 22

23 Lei de Moore observação empírica (década 70) Número de transistores em um chip dobraria a cada 18 meses aumento de 60% no número de transistores por ano. Gordon Moore: cofundador e ex-presidente da Intel Avanços na tecnologia (transistores/chips) Novos mercados, novas empresas Produtos Melhores a preços mais baixos Novas Aplicações 23

24 Lei de Nathan Nathan Myhrvold, antigo executivo da Microsoft O software é um gás. Ele se expande até preencher o recipiente que o contém. Exemplo: processador de textos da década de 80 (troff) utilizava quilobytes de memória. Processadores de texto atuais utilizam megabytes. 24

25 Tipos de computador TIPO Computador de uso comum (descartável) Computador embarcado (Microcontrolador) Computador para jogos Computador pessoal Servidor Conjunto de estações de trabalho Mainframe EXEMPLO DE APLICAÇAO Cartões de felicitação Relógios, carros, eletrodomésticos Videogames domésticos Computador de mesa ou notebook Servidor de rede Superminicomputador de uso variado Processamento de dados em bloco em um banco 25

26 Exemplos de Famílias de Pentium 4 UltraSPARC III

27 Exemplos de Famílias de Evolução dos processadores Fonte: 27

28 Exemplos de Famílias de Evolução Intel Primeiro: ª Geração: ª Geração: ª Geração: ª Geração: ª Geração: Pentium e Pentium MMX 6ª Geração: Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Celeron, Pentium II Xeon, Pentium III Xeon 7ª Geração: Pentium 4 Premissa da Intel: Compatibilidade Novas gerações: Processadores Dual-Core, Multi-Core 28

29 Exemplos de Famílias de Final dos anos 60 Calculadoras muito grandes (tamanho das impressoras a laser atuais e com peso de 20 kg). Empresa japonesa (Busicom) contrata a Intel para produzir chip dedicado para calculadora Intel 4004 (processador de 4 bits). Sucesso do projeto do Intel 4004 produção do Intel 8008 (processador de 8 bits). Intel 8080 processador de propósito geral, com pouco poder de processamento venda de milhões. 29

30 Exemplos de Famílias de Intel 4004 Intel

31 Exemplos de Famílias de Intel 8086 processador de 16 bits (sucedeu o 8088, barramento de 8 bits) usado no primeiro PC da IBM, se tornou padrão. Intel conjunto de instruções similar aos antecessores, nova organização de memória. Intel processador de 32 bits. Intel apresentava uma unidade de ponto flutuante e memória cache de 8 K, suporte ao multiprocessamento. 31

32 Exemplos de Famílias de Intel 8086 Intel 486DX Intel

33 Exemplos de Famílias de Pentium - funcionalidades anteriores + dois pipelines internos. Pentium Pro organização interna diferente, permitia executar até 5 instruções ao mesmo tempo, memória cache de 2 níveis. Pentium II Pentium Pro com extensões para tratar aplicações multimídia (MMX). 33

34 Exemplos de Famílias de Celeron basicamente, um Pentium II de preço e desempenho mais baixos. Xeon versão do Pentium II - aumento de memória cache, barramento rápido e melhor suporte ao multiprocessamento. Pentium III Instruções SSE (Streaming SIMD Extensions) para gráficos 3D Pentium 4 Hiperthreading; mais instruções SSE 34

35 Exemplos de Famílias de Lista de processadores com mais de um núcleo Pentium D Pentium Extreme Edition Core 2 Duo Core 2 Quad Core 2 Extreme Core i3 Core i5 Core i7 35

36 Exemplos de Famílias de Microprocessadores Tabela Comparativa 36

37 Exemplos de Famílias de Introdução ao UltraSPARC Início - UNIX rodava apenas em minicomputadores 1981 estação SUN-1 (Stanford University Network), 1982 Sun Microsystems Características da Sun-1 Equipada com processador Motorola Projetadas para rodar em rede Equipada com uma placa Ethernet e com software TCP/IP, para conexão com a ARPANET. 37

38 Exemplos de Famílias de Introdução ao UltraSPARC 1987 a Sun desenvolve seu próprio processador SPARC (Scalable Processor ARChitecture). Várias empresas para produzir processadores: MicroSPARC, HiperSPARC, SuperSPARC e TurboSPARC Características das máquinas SPARC 32 bits, clock de 36 MHz Processador IU (Integer Unit) 3 formatos principais de instruções e 55 instruções Unidade de Ponto flutuante com mais de 14 instruções básicas 38

39 Exemplos de Famílias de 1995 UltraSPARC I 64 bits (endereçamento e registradores) Projetada para tratar imagens, áudio, vídeo e aplicações multimídia em geral (VIS Visual Instruction Set) Sucessores: UltraSPARC II e UltraSPARC III 39

40 Exemplos de Famílias de 8051 Intel lança o 8051 em 1980: 60 mil transistores 4KB de memória de leitura 128 bytes de memória de leitura/escrita 32 linhas de entrada/saída 1 porta serial 2 temporizadores de 16 bits 40

41 Exemplos de Famílias de Família MCS-51 Razões para o sucesso do 8051 : Custo reduzido (10 a 15 centavos de dólar por chip); Várias empresas fabricam o 8051 sob liderança da Intel; Grande quantidade de software disponível (assemblers, compiladores, depuradores, simuladores, etc) 41

42 Exemplos de Famílias de Os exemplos utilizados: Pentium 4 (máquina CISC típica implementada com a tecnologia superescalar); UltraSPARC III (máquina RISC pura implementada com a tecnologia superescalar); 8051 (chip dedicado, utilizado em sistemas embarcados ); 42