ARQUITETURA DE COMPUTADORES Estágios da Evolução dos Computadores Prof.: Agostinho S. Riofrio
Agenda 1. Introdução 2. Gerações 3. Computadores Mecânicos 4. Primeira Geração Válvulas Eletrônicas 5. Segunda Geração Transistor 6. Terceira Geração Circuito Integrado 7. Quarta Geração - VLSI
Introdução Os primeiros computadores (anos 40) possuíam somente dois níveis: Nível de Arquitetura de Conjunto de Instruções (ISA) e o Nível de Lógica Digital, que era complicado, difícil de entender e construir, e de baixa confiabilidade. Em 1951, Maurice Wilkes (University of Cambridge) sugeriu a introdução de um nível adicional intermediário para simplificar o hardware: um interpretador (microprograma) imutável para executar as instruções especificadas no nível acima.
Introdução Por volta de 1960, foi criado um programa sistema operacional que ficaria constantemente em execução no computador com a função de automatizar o trabalho do operador do computador: iniciar um novo job, carregar o compilador de FORTRAN, carregar o programa a ser compilado, executar o programa resultante da compilação, entrar os dados para o programa, imprimir os resultados do programa,... Batch system: execução seqüencial de jobs (um único usuário por vez no computador) Timesharing system: terminais remotos conectados ao computador central através de linhas de telefone (CPU compartilhada entre muitos usuários)
Gerações 1. Computadores Mecânicos (1642-1945) 2. Computadores com Tubos a Vácuo ou Válvulas Eletrônicas (1945-1955) 3. Computadores com Transistores (1955-1965) 4. Computadores com Circuitos Integrados (1965-1980) 5. Computadores com Integração em Escala Muito Grande - VLSI (1980-?)
Computadores Mecânicos Blaise Pascal (1623-1662, França) construiu em 1642 a primeira máquina de calcular, baseada em engrenagens e alavancas, e que permitia fazer adições e subtrações. Baron Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716, Alemanha) construiu outra máquina no mesmo estilo, e que permitia também fazer multiplicações e divisões.
Computadores Mecânicos Charles Babbage (1792-1871, Inglaterra) construiu na Universidade de Cambridge duas máquinas: Difference Engine: executava sempre o mesmo algoritmo (tratava tabelas de números para fins de navegação naval, aplicando o método de diferenças finitas usando polinômios); a saída era gravada em pratos de cobre e aço. Analytical Engine: Quatro componentes: store (memória), mill (unidade de computação), input section (leitora de cartões perfurados) e output section (saída impressa e com perfuração); A unidade de computação lia números da memória, fazia cálculos (adição, subtração, multiplicação e divisão) e podia retornar o resultado para a memória. Máquina de propósito geral: lia instruções (de tratamento aritmético e de desvio condicional) através de cartões perfurados e as executava. Primeira pessoa a escrever programas: Ada Augusta Lovelace
Computadores Mecânicos
Computadores Mecânicos Konrad Zuse (Alemanha) construiu durante a década de 1930 uma série de máquinas de calcular baseadas em relays eletromagnéticos, mas a Segunda Guerra Mundial impediu o seu avanço e ainda causou a sua destruição. John Atanasoff (Estados Unidos da América, Iowa State University) e George Stibbitz (Estados Unidos da América, Bell Labs) construíram no final da década de 1930 calculadoras que já usavam aritmética binária e possuíam memória baseada em capacitores. Howard Aiken (Estados Unidos da América, Harvard University) construiu em 1944 uma máquina de propósito geral chamada Mark I, baseada no trabalho de Babbage, mas que usava relays eletromagnéticos no lugar de engrenagens.
Primeira Geração Válvulas Eletrônicas Governo Britânico construiu em 1943 o primeiro computador digital eletrônico, o COLOSSUS, para fins de decodificar as mensagens trocadas pelos alemães durante a Segunda Guerra Mundial, que eram criptografadas por uma máquina chamada ENIGMA. O projeto foi mantido em segredo por 30 anos, por isso, não houve evolução. Alan Turing participou do projeto. John Mauchley e J. Presper Eckert (Estados Unidos da América) construíram em 1946 para fins militares um computador eletrônico chamado ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): 18.000 tubos a vácuo 1.500 relays 30 toneladas 140 kilowats 20 registradores de números decimais de 10 dígitos Programação feita através de 6.000 switches e de milhares de jumpers (cabos de conexão) John von Neumann participou do projeto.
Primeira Geração Válvulas Eletrônicas Colossus
Primeira Geração Válvulas Eletrônicas ENIAC
Primeira Geração Vários computadores surgiram na seqüência: JOHNIAC: Rand Corporation ILLIAC: Universidade de Illinois MANIAC: Laboratório de Los Alamos WEIZAC: Instituto Weizmann, Israel EDSAC (1949): Universidade de Cambridge; foi o primeiro a armazenar programas em memória.
Primeira Geração John von Neumann (Estados Unidos da América, Instituto de Estudos Avançados de Princeton) construiu em 1952 o computador IAS: Programas e dados representados de forma digital em memória Processamento baseado em aritmética binária, ao invés de decimal
Máquina de Von Newmann Memória: 4096 palavras de 40 bits (2 instruções de 20 bits ou um inteiro) Instrução: 8 bits para indicar o tipo, 12 tipos para endereçar a memória Acumulador: registrador especial de 40 bits
Primeira Geração IBM começou a construir computadores: 1953: IBM 701 2048 palavras de 36 bits Duas instruções por palavra Máquina para aplicações científicas (numéricas) 1956: IBM 704 4K de memória Instruções de 36 bits Hardware para floating-point (números reais) 1958: IBM 709
Segunda Geração - Transistores
Segunda Geração - Transistores Invenção do transistor 1948, Bell Labs, EUA John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley TX-0 (Transistorized experimental computer 0) M.I.T., Lincoln Laboratory Primeiro computador com transistor PDP-1 1961, DEC (Digital Equipment Corporation) Primeiro computador comercializado Kenneth Olsen (participante do projeto do TX-2) fundou a DEC em 1957. Memória: 4K palavras de 18 bits Ciclo: 5 microsegundos Primeiro computador com display visual: tela de 512x512 pontos Preço: US$120,000 Unidades vendidas: algumas dezenas Nascimento da indústria de minicomputadores
Segunda Geração PDP-8 DEC, 1965 Preço: US$16,000 Unidades vendidas: 50.000 Máquina de 12 bits Barramento único: omnibus (FIGURA) 7090 IBM (Industry of Business Machine) Versão transistorizada do IBM 709 7094 1962, IBM Memória: 32K palavras de 36 bits Ciclo: 2 microsegundos 1401 1961, IBM Memória: 4K bytes Máquina orientada a negócios: Fitas magnéticas (leitura e escrita) Cartões (leitura e perfuração) Impressão relativamente rápida e barata
Segunda Geração IBM 7090
Segunda Geração
Segunda Geração 6600 1964, CDC (Control Data Corporation) Projetista: Seymour Cray Alto grau de paralelismo dentro da CPU: Várias unidades para adição, multiplicação e divisão trabalhando simultaneamente Muito mais rápido que o 7094! Pequenos computadores auxiliares para tratamento de entrada e saída Sucessores: 7600, Cray-1 B5000 Burroughs Projeto orientado para a execução de programas em Algol- 60, linguagem precursora do Pascal Maior prioridade para o software Menor prioridade para velocidade de processamento e preço
Terceira Geração Circuitos Integrados
Terceira Geração Circuitos Integrados Invenção do circuito integrado de silício 1958, Robert Noyce Dezenas de transistores em um único chip Possibilitou construir computadores menores, mais rápidos e mais baratos
Terceira Geração System/360 IBM, 1965 Família de computadores, com diferentes capacidades de processamento e armazenamento: modelos 30, 40, 50 e 65 (tabela) Visava substituir o 1401 (comercial) e o 7094 (científico) ao mesmo tempo Permitia multiprogramação: vários programas em memória em execução simultânea (quando um aguardava uma operação de entrada ou saída se completar, outro podia executar) Emulava outros computadores (1401, 7094), devido à sua capacidade de microprogramação Endereçamento máximo: 16 megabytes (24 bits) PDP-11 DEC, 1970 Sucessor de 16 bits do PDP-8 Grande sucesso, especialmente nas universidades
Família IBM System/360
Quarta Geração - VLSI Década de 80: grande compactação dos circuitos integrados Dezenas de milhares, depois centenas de milhares e finalmente milhões de transistores em um chip Desempenho aumentou muito Preços caíram muito Computadores deixaram de ser privilégio de grandes corporações Início da era do computador pessoal
Computadores Pessoais
Computadores Pessoais Vendidos em kits para o próprio consumidor montar Placa de circuito impresso Conjunto de chips (tipicamente Intel 8080) Alguns cabos Fonte de alimentação Floppy disk de 8 polegadas Software não era fornecido: o consumidor tinha que escrever seu próprio software Sistema operacional CP/M Gary Kildall Processadores Intel 8080 Floppy disk operating system Sistema de arquivos Comandos por teclado Apple, Apple II Steve Jobs e Steve Wozniak Muito popular para uso doméstico e em escolas
Computadores Pessoais IBM Personal Computer IBM, 1981 Intel 8088 Projeto de circuitos público: Objetivo: permitir que outros fabricassem componentes facilmente acopláveis ao PC (plug-in boards) Conseqüência: indústria de clones Sistema operacional: Inicialmente, MS-DOS (criação da Microsoft) Mais tarde, com CPUs mais poderosas, OS/2, que possui interface gráfica semelhante ao Apple Macintosh Mais tarde ainda, MS-Windows
Lei de Moore Gordon Moore, 1965, Intel Número de transistores em um chip dobra a cada 18 meses. Círculo Virtuoso: Avanço tecnológico propicia melhores produtos a preços mais baixos. Preços mais baixos induz ao surgimento de novas aplicações (exemplo, video games) Novas aplicações aumentam as possibilidades de mercado e fazem surgir novas empresas. Novas empresas leva a competição, criando demanda econômica para o avanço tecnológico.
Lei de Nathan Nathan Myhrvold, Microsoft Software é como gás: expande até preencher todo o container. Exemplo: editores de texto Troff (década de 80) ocupava alguns milhares de kilobytes de memória Editores atuais ocupam dezenas de megabytes
Categoria de Computadores
Computador Pessoal
Intel 1968: Fundação Robert Noyce ( inventor do circuito integrado de silício ) Gordon Moore ( Moore s law ) Arthur Rock ( investidor )
Intel
SUN (Stanford University Network) 1981, Andy Bechtolsheim, alemão, estudante de graduação de Stanford, montou seu próprio computador (SUN-1) para executar Unix, usando CPU Motorola 68020. workstation : Ethernet e TCP/IP para conectar a ARPANET (precursora da Internet) 1987: SPARC (Scalable Processor ARChitecture) RISC: Reduced Instruction Set Máquina de 32 bits 1995: UltraSPARC I Máquina de 64 bits Orientada a multimídia VIS: Visual Instruction Set
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] TANEMBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. Quinta Edição. Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2007. [2] http://ftp.arl.army.mil/historic-computers/ [3] http://www.computersciencelab.com/computerhistory/historypt2.htm