- Aula 2 ESTÁGIOS DA EVOLUÇÃO DA ARQUITETURA DOS COMPUTADORES 1. INTRODUÇÃO Centenas de tipos diferentes de computadores foram projetados e construídos ao longo do ciclo evolutivo dos computadores digitais. Alguns projetos merecem destaque, pois eles nos ajudarão a ter uma idéia melhor sobre o assunto. Tabela 1 - Evolução dos computadores 2. GERAÇÕES 2.1. Geração Zero Computadores Mecânicos (1642-1945) Naquela época, os computadores nada mais eram que simples máquinas de calcular. Seu construtor foi o cientista francês Blaise Pascal, que o construiu para ajudar o pai que trabalhava como coletor de impostos. 1
A evolução da máquina de Pascal, que apenas fazia somas e subtrações, foi outra calculadora 30 anos mais tarde, porém esta era capaz de fazer multiplicações e divisões. 150 anos mais tarde, Charles Babbage (1792-1871) inventou sua máquina diferencial, um dispositivo mecânico que construía tabelas de números a serem usadas pela navegação naval usando um único algoritmo. Sua principal característica era o seu método de colocar na saída as informações processadas por ela: ela perfurava seus resultados em um prato de cobre. Mídia esta que acabou por ser a precursora dos CD s. O mesmo Charles Babbage construiu uma máquina analítica que tinha quatro componentes importantes: - Memória - Unidade de Computação - Unidade de Entrada (Leitora de cartões perfurados) - Unidade de Saída (Saída impressa que perfurava os cartões) A máquina analítica tinha ainda outra grande vantagem, que era o fato de ser uma máquina de propósito geral. Outras invenções vieram somente em 1944, quando surgiu a máquina de Babbage com relés, construída por pelo cientista Howard Aiken. Tinha aí então o início da era da eletrônica. 2.2. Primeira Geração Válvulas (1945-1955) Computadores valvulados surgiram com o estímulo da Segunda Grande Guerra quando os submarinos alemães estavam promovendo um grande estrago na Armada Britânica. As mensagens enviadas de Berlim que eram interceptadas eram todas criptografadas por um dispositivo conhecido por ENIGMA. Para decifrar a mensagem foi construído um computador chamado COLOSSUS. O desenvolvimento do Colossus teve a colaboração de Alan Turing, famoso matemático britânico. Apesar de o Colossus não ter se desenvolvido, ele foi o primeiro computador eletrônico construído no mundo. Depois disso veio o ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer), construído com o intuito de realizar cálculos que formariam tabelas de direção de tiro para a artilharia americana. O ENIAC tinha 18.000 válvulas e 1.500 relés. Para programá-lo era necessário ajustar a posição de 6.000 chaves de várias posições e conectar um número imenso de soquetes e cabos. Depois disso vários projetos surgiram onde então foi projetado por Jay Forrester as memórias de núcleos magnéticos. Nos idos de 1950 desenvolvia-se uma pequena empresa que fabricava máquinas de perfurar cartões conhecida como IBM, que produziu em 1953 o 701, o primeiro de uma série de máquinas científicas que dominou o mercado por toda uma década. Em 1951, a IBM produziu sua última máquina valvulada, o 709. 2
Figura 1 - Válvula 2.3. Segunda Geração - Transistores (1955-1965) O transistor foi inventado no Bell Labs em 1948, por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, vencedores do prêmio Nobel de Física de 1956. A primeira máquina transistorizada foi o TX-0 (Transistorized EXperimental Computer 0). Como sempre, diversos projetos foram desenvolvidos com essa tecnologia, entre os quais podemos citar o B5000 que era capaz, e construído para esse fim, de rodar programas em Algol60 1. Com esse projeto começou a tomar corpo a idéia de que o software era uma peça importante do projeto de uma máquina. Figura 2 - Componentes eletrônicos 2.4. Terceira Geração Circuitos Integrados (1965-1980) Em 1958, Robert Noyce desenvolveu um processo de integrar circuitos eletrônicos em substratos de silício, técnica que possibilitou que dezenas de transistores fossem colocados no mesmo chip. A IBM foi a empresa que mais utilizou e fez desenvolver em seus projetos essa nova tecnologia. Dentre eles destaca-se o System360. Outra inovação que veio junto com o System360, foi a implementação da multiprogramação 2. Além disso, vários modelos do System360 eram microprogramados, que possibilitavam a emulação de outras máquinas. Esta vantagem foi a razão do sucesso à época. 1 Linguagem de programação de alto nível antecessora do Pascal. 2 Capacidade de manter diversos programas na memória ao mesmo tempo. 3
Figura 3 - Circuito Integrado 2.5. Quarta Geração Integração de Circuitos em Escala Muito Alta (1980 - Hoje) Na década de 80 a integração de circuitos em alta escala tornou possível a colocação, de dezenas de milhares de transistores em um chip. Isso propiciou a criação dos minicomputadores que passaram a fazer parte da realidade de muitas empresas nos chamados Centros de Computação ou Centros de Processamento de Dados. Desse ponto em diante começava então a era da computação pessoal. Os computadores pessoais eram usados de maneira totalmente diferentes dos computadores de grande porte. Sua utilização se dava para o processamento de textos, uso de planilhas eletrônicas e rodar aplicações interativas que os computadores de grande porte não tratavam bem. Surgia então a Apple no mercado. Neste período a IBM também dominou o mercado com computadores como o PC (Personal Computer) que utilizava processadores da Intel. Nesta época, ainda surgiram diversos sistemas operacionais como o Apple Macintosh e o próprio Microsoft Windows que viria substituir o MS-DOS que acompanhava os PC s. Os meados da década de 1980 marcaram o aparecimento de processadores conhecidos como arquitetura RISC 3 que competia bastante com processadores CISC 4. 3. FAUNA COMPUTACIONAL 3.1. Forças Tecnológicas e Econômicas A indústria está se desenvolvendo a uma velocidade sem precedentes. A força motriz desse desenvolvimento é a capacidade dos fabricantes de chips em integrar um número cada vez maior de transistores (chaves eletrônicas) em uma pastilha de silício. Isto significa memórias maiores e processadores mais poderosos. Observe a figura: 3 RISC Reduced Instruction Set Computer 4 CISC Complex Instruction Set Computer 4
Figura 4 - Relação quantidade de transistores/ano Os avanços na tecnologia de transistores e chips levam a produtos melhores, preços mais baixos e novas aplicações. Este ciclo fomenta mercados que faz crescer a tecnologia. O avanço tecnológico que tratamos no texto se vê expresso quando comparamos o velho PC/XT da IBM introduzido no mercado em 1982 ou um HD(Hard Disk) de 10 MB com os atualmente produzidos. 3.2. Espectro Computacional Neste contexto, no referimos em onde e no que os recursos computacionais estão alocados. Observe a figura: Tabela 2 - Avaliação do Espectro Computacional Na faixa inferior temos chips que aparecem dentro de cartões. Estes chips têm funções bastante simples como tocar uma música ao se abrir o cartão. No nível seguinte, temos os processadores embarcados nos telefones, televisores, microondas, etc. Estes dispositivos têm pouca memória, um processador e alguma capacidade de entrada e saída. 5
O próximo nível aparece o vídeo-game. São computadores normais com facilidades para tratar imagens, mas com um software bastante limitado. A seguir temos os computadores pessoais que, além de possuir componentes mais avançados, possuem sistemas operacionais sofisticados. Nesta classificação também se enquadram alguns servidores, estações de trabalho, cluster s de estações de trabalho, etc. Seguindo surgem os mainframes computadores de grande porte que ocupam salas inteiras. Em muitos casos não são muito rápidos, mas tem uma grande capacidade de entrada e saída, além de serem equipados com discos que armazenam grande quantidade de dados na ordem de terabytes ou pentabytes. Na faixa seguinte estão os supercomputadores - máquinas com processadores extremamente velozes, muitos gigabytes de memória principal e sistema de discos muito eficientes. A tendência dessas máquinas é serem projetadas como máquinas altamente paralelas, mas com componentes mais rápidos e em maior número. São normalmente utilizados na resolução de problemas que exijam intensa atividade de processamento, em geral pertencentes ao domínio das ciências e da engenharia, como simulações. 6