Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 1 Filosofia da disciplina EA869...1 2 Portas lógicas...3 3 Lógica seqüencial...5 4 Flip-flops: um sumário...6 5 Registradores e o computador...8 6 Compromisso entre software e hardware...9 7 Evolução histórica dos computadores digitais...10 8 Nanotecnologia e lei de Moore...11 9 Arquiteturas RISC e CISC...17 10 Referências...18 1 Filosofia da disciplina EA869 Nota 1: freqüentemente, fracassamos no ensino de engenharia porque as disciplinas são concebidas visando apresentar soluções perfeitas para problemas que nunca chegaram a ser formulados e compreendidos pelo aluno. Nota 2: quem não é capaz de perceber e formular problemas com clareza não pode atuar como engenheiro. esta disciplina é concebida SIM visando apresentar soluções perfeitas para problemas que (possivelmente) nunca chegaram a ser formulados e compreendidos pelo aluno. Sendo assim, uma análise pontual indicaria que esta disciplina não contribui para a formação de engenheiros. no entanto, esta disciplina tem a pretensão de apresentar uma grande quantidade de conceitos de arquitetura e organização de computadores, em um tempo curto, justamente para que o aluno possa entender melhor o Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 1
computador e imediatamente passar a usá-lo com destreza e perspicácia no exercício da engenharia. sendo assim, uma análise global da disciplina, no contexto de um curso de engenharia, vai indicar que a urgência e abrangência associadas a conceitos de computação justificam o estilo adotado para a disciplina. informação conhecimento: Hoje, leva vantagem quem domina o conhecimento, ou seja, quem sabe o que fazer com a informação disponível. A informação já é de fácil acesso, mas o conhecimento ainda custa muito caro. logo, conhecer a máquina mais poderosa para processamento de informação, dentre as já concebidas pelo ser humano, é pré-requisito prático para todo o decorrer do curso de engenharia, pois conduz a um aumento na eficiência do processo de assimilação de conhecimento. Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 2 2 Portas lógicas curso de circuitos lógicos: representação e manipulação de informação na forma binária. elementos básicos que compõem um computador: portas lógicas e flip-flops. os transistores são elementos fundamentais na implementação de portas lógicas e flip-flops. a álgebra booleana fornece métodos formais para análise e síntese de circuitos contendo portas lógicas. projeto digital: processo de conversão de idéias ou especificações em hardware, sendo a álgebra booleana a ferramenta que facilita este processo. qualquer álgebra, incluindo a álgebra booleana, consiste de um conjunto de elementos, E, um conjunto de funções, F, que operam sobre elementos de E, e Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 3
um conjunto básico de leis denominadas axiomas, que definem as propriedades de E e F. apenas 3 funções ou operações são permitidas em álgebra booleana: adição, multiplicação e negação (ou complemento). As operações aritméticas de subtração e divisão não existem em álgebra booleana. o computador digital mais complexo pode ser reduzido a uma massa de portas NAND, conectadas de uma forma particular e complexa. por que implementar circuitos utilizando apenas portas NAND (ou NOR)? há várias razões, sendo que em geral as portas NAND operam a uma maior velocidade que as portas AND, além de poderem ser construídas com um número menor de componentes (no nível do chip). O mesmo vale para o caso da porta NOR em relação à porta OR. mais rápida e mais barata. Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 4 porta de 3 estados (tri-state): não é uma extensão da álgebra booleana para o caso de lógica ternária, mas apenas um dispositivo utilizado para implementar a conexão de múltiplas saídas a um único barramento. 3 Lógica seqüencial circuitos combinacionais: são circuitos construídos utilizando portas lógicas, sendo que sua saída é função apenas da entrada. circuitos seqüenciais: são circuitos construídos utilizando flip-flops, sendo que seu estado lógico depende das entradas atuais e passadas. os circuitos seqüenciais formam a base dos contadores e dispositivos de armazenagem de dados (registradores). circuitos síncronos: todos os processos são iniciados simultaneamente a cada novo pulso de clock. Este procedimento permite, por exemplo, que os Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 5
elementos lógicos respondam às suas respectivas entradas apenas quando as entradas forem válidas. Esta é a razão pela qual o estado de um flip-flop só pode ser alterado quando comandado pelo pulso de clock. circuitos assíncronos: os sinais de fim de um conjunto de processos disparam o início de um outro conjunto de processos. um circuito assíncrono é mais complexo e difícil de implementar, sendo inerentemente menos confiável que os sistemas síncronos. 4 Flip-flops: um sumário têm como componentes básicos as portas lógicas; têm apenas dois estados estáveis, possuindo a capacidade de reter seu estado; têm dois sinais de saída, um dos quais é o complemento do outro; Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 6 flip-flops com entrada de sincronismo podem ser sensíveis ao nível ou à borda (de subida ou de descida); para entender flip-flops, é necessário saber que eles apresentam estados internos, além das entradas externas. Assim, a saída de um flip-flop depende das entradas externas atuais e de seu estado interno, sendo que este último depende das entradas externas passadas. Logo, flip-flops são elementos de memória. o que acontece quando um flip-flop é ligado? Se nenhuma entrada estiver forçando a saída para algum estado, ela vai assumir um estado arbitrário (0 ou 1). Para evitar este comportamento arbitrário, muitos flip-flops são fornecidos com entradas de controle especiais que colocam a saída em um estado conhecido. Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 7
a maioria dos flip-flops RS são construídos a partir de portas NAND, porque a maioria dos circuitos usa sinais com ativação baixa. Flip-flop RS : Tabela Verdade S R Q 0 0 Q 0 1 0 1 0 1 1 1 Inválido Flip-flop JK : Tabela Verdade J K Q 0 0 Q 0 1 0 1 0 1 1 1 Complemento 5 Registradores e o computador um registrador é formado por um conjunto de flip-flops sincronizados pelo mesmo relógio, com a capacidade de armazenar informação; de modo genérico, um computador pode ser definido como um conjunto de registradores comandados. Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 8 6 Compromisso entre software e hardware aspectos de projeto: velocidade e custo. o modo mais rápido e eficaz de executar uma dada tarefa via processamento digital é implementá-la em um circuito dedicado, o que pode ser demasiadamente custoso. forma mais barata e de mais rápida implementação: hardware de propósito geral (não otimizado para a tarefa específica) + programação para executar a tarefa (software armazenado na memória). Hardware de propósito geral, com potencial para a execução de uma infinidade de tarefas Programação Hardware pronto para a execução de uma tarefa específica Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 9
normalmente, o hardware programado é menos eficaz que o hardware dedicado, pois este último é projetado especificamente para a tarefa desejada. 7 Evolução histórica dos computadores digitais 1 a geração (1945-1955): máquinas de cálculo empregando válvulas e relés; exigiam muito espaço e consumiam muita energia; programação em linguagem de máquina; sistemas operacionais e linguagens de programação eram desconhecidos; um pequeno grupo de pessoas realizava as tarefas de projeto, construção, operação, programação e manutenção. 2 a geração (1955-1965): emprego de transistores e aplicação em múltiplas atividades; separação entre projetistas, construtores, operadores, programadores e pessoal de manutenção; fabricação em série, mas acessível apenas às grandes corporações e universidades, devido ao custo elevado; linguagens de programação: FORTRAN e ASSEMBLY. Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 10 3 a geração (1965-1980): emprego de circuitos integrados e multiprogramação; 4 a atendimento conjunto de aplicações científicas e comerciais; tempo compartilhado (sistemas multiusuário); projeto MULTICS. geração (1980-): computadores pessoais e estações de trabalho; chips (VLSI); potencial das máquinas e mercado de software; atendimento individual e interface amigável; sistemas operacionais MS-DOS (Windows) e UNIX; sistemas operacionais de rede (recursos compartilhados); arquiteturas RISC e CISC. estimativas:! mercado de circuitos integrados em 2004: US$380 bilhões! mercado de eletrônica em 2004: US$3 trilhões 8 Nanotecnologia e lei de Moore 1954: primeiro transistor de silício (Texas Instruments) Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 11
Jack Kilby (Texas Instruments, ganhador do prêmio Nobel de Física em 2000) concebeu a idéia e implementou o primeiro circuito integrado, com 5 componentes: 1 transistor e 4 resistores. O circuito integrado foi patenteado em 1959. Lei de Moore: o número de componentes em um circuito integrado dobra entre 18 e 24 meses. esta lei derivou de uma simples constatação feita em 1965 pelo co-fundador da Intel, Gordon Moore. o aspecto mais relevante associado à lei de Moore é que, embora a observação de dados históricos tenha levado à sua formulação, desde então ela se tornou uma meta a ser atingida pela evolução da tecnologia de circuitos integrados. Afirmação mais apropriada: a meta imposta pela Lei de Moore vem sendo atendida com sucesso até os dias de hoje Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 12 Afirmação menos apropriada: a Lei de Moore vem se mostrando válida até os dias de hoje. devido às vinculações tecnológicas, a lei de Moore se aplica também à capacidade da memória RAM, ao nível de integração dos circuitos integrados e à velocidade dos processadores. esta escalada da miniaturização dos transistores de justifica por várias razões, dentre as quais se destacam:! os processadores requerem cada vez transistores, seja pela concepção de novos circuitos com funcionalidades complementares, seja pelo aumento no número de bits para processamento (hoje, já estão sendo comercializados processadores de 64 bits).! quanto maior a velocidade do clock, menor deve ser a extensão das ligações internas de componentes, devido aos problemas com a transmissão do sinal. Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 13
Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 14 com isso, a lei de Moore também fornece uma medida quantitativa para o nível de integração dos circuitos digitais, indicando um comportamento exponencial do número de transistores por unidade de área. retrato da Lei de Moore (integrated circuit complexity):! 1o. circuito integrado: 10 0 transistor por processador! circuito integrado atual (2004): 10 8 transistores por processador! circuito integrado em 2010: 10 10 transistores por processador para atender à Lei de Moore, a nanotecnologia deve ser capaz de sintetizar transistores com as seguintes dimensões (feature size):! atual (2004): 100 nanômetros! em 2010: 45 nanômetros (já existe solução tecnológica para isso)! em 2015: 22 nanômetros (não existe solução tecnológica para isso) espessura do cabelo humano: 100 micrômetros Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 15
diâmetro do vírus da AIDS: 0,1 micrômetros = 100 nanômetros diâmetro de um átomo: 0,2 a 0,4 nanômetros (2 a 4 angströms) Conclusão: a manutenção da Lei de Moore vai requerer que os transistores se aproximem do tamanho do átomo, conduzindo a enormes desafios tecnológicos. primeiros sintomas deste limite prático: a tecnologia de litografia óptica, empregando raios ultravioleta para síntese de transistores, é capaz de atender a demanda de miniaturização apenas até 2007. outro aspecto relevante diz respeito à refrigeração do processador. Com a miniaturização, há cada vez mais dissipação de calor por unidade de área. Dentre outras soluções para reduzir a dissipação de calor, a tecnologia tem permitido alimentar os processadores com tensões em torno de 3V, em lugar dos habituais 5V. Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 16 9 Arquiteturas RISC e CISC RISC: Reduced Instruction Set Computer CISC: Complex Instruction Set Computer com as sucessivas gerações de processadores de uma mesma família, novas instruções são acrescentadas ao repertório de instruções do processador e as instruções que compunham o repertório de instruções dos processadores de gerações passadas devem sem mantidas na nova geração, por questões de compatibilidade (softwares executáveis em um processador devem manter a condição de executáveis nos novos processadores daquela família). conseqüência: arquiteturas CISC (elevado número de instruções); 60% da área da pastilha de um processador CISC é consumida para realizar a decodificação de instruções; Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 17
lançamento de processadores que não derivam de uma longa família de processadores: arquiteturas RISC. tendência: arquiteturas RISC/CISC. 10 Referências 50 Years of Computing, IEEE Computer, vol. 29, no. 10, pp. 24-111, 1996. The Next 50 Years: Our Hopes, Our Visions, Our Plans, Communications of the ACM, vol. 40, no. 2, pp. 29-142, 1997. Taub, H., "Circuitos Digitais e Microprocessadores", McGraw-Hill, 1984. Torres, G. Hardware Curso Completo, 4a. edição, Axcel Books, 2001. Tópico 2 Computador, transistores, registradores e circuitos integrados 18