Aula 2 ARQUITETURA DE COMPUTADORES Conceitos e Evolução Capítulos 1 e 2 Prof. Osvaldo Mesquita E-mail: oswaldo.mesquita@gmail.com 1/48 CONTEÚDO DA AULA Conceitos Importantes O que é arquitetura de computadores? O que é organização de computadores? Funções do computador Evolução do computador 2/48 1
CONCEITOS : São os atributos que possuem impacto direto sobre a execução lógica de um programa. Exemplos: Conjunto de instruções, número de bits de representação de dados (números, caracteres), mecanismos de E/S, técnicas de endereçamento. 3/48 CONCEITOS Organização de Computadores: Unidades operacionais e interconexões que realizam as especificações arquiteturais. Exemplos: Sinais de controle, interfaces entre computador e periféricos, tecnologia de memória. 4/48 2
CONCEITOS Exemplos Questão Arquitetural: O processador em questão terá uma instrução de multiplicação? Questão Organizacional: A instrução de multiplicação deste processador será implementada por uma unidade de multiplicação especial ou será através de repetidas adições? A decisão organização pode estar baseada na frequência de uso da instrução de multiplicação, a velocidade relativa dos dois métodos, e o custo e tamanha físico de uma unidade especial para multiplicação. 5/48 CONCEITOS Família de modelos de computadores Mesma arquitetura Diferentes organizações Computadores Preços/desempenho distintos Compatibilidade entre programas Arquitetura sobrevive por anos IBM System/370 (1970) As mudanças na tecnologia tanto influenciam a organização como resulta em arquiteturas mais poderosas e flexíveis. 6/48 3
CONCEITOS IBM System/370 Arquitetura foi introduzida em vários modelos em 1970. O cliente poderia comprar um modelo mais barato e mais lento e, quando necessário, poderia atualizar para um modelo mais caro e mais rápido sem ter que abandonar o software que já tinha sido desenvolvido. Ao longo dos anos, a IBM introduziu muitos novos modelos com tecnologia melhorada para substituir modelos mais antigos, oferecendo ao cliente uma maior velocidade, menor custo, ou ambos. Este modelos mais recentes mantiveram a mesma arquitetura de modo que investimento de software do cliente foi protegido 7/48 HIERARQUIA DO SISTEMA Um computador é um sistema complexo; computadores contemporâneos contêm milhões de componentes. Como, então, se pode descrevêlos claramente? [Stallings] A chave é reconhecer a natureza hierárquica da maioria dos sistemas complexos, incluindo o computador [Stallings] 8/48 4
HIERARQUIA DO SISTEMA A natureza hierárquica de sistemas complexos é essencial tanto para a sua concepção como para seu projeto. Em cada nível, o sistema é composto por um conjunto de componentes e a sua inter-relação. Em cada nível do sistema, o projetista está interessado na estrutura e na função. 9/48 HIERARQUIA DO SISTEMA Estrutura A maneira pela qual os componentes estão interrelacionados. Função A operação de cada componente individual como parte da estrutura. 10/48 5
FUNÇÕES Funções básicas de um computador Processamento de dados Armazenamento de dados Transferência de dados Controle Mecanismo de transferência de dados Mecanismo de controle Recurso de armazenamento de dados Recurso de processamento de dados 11/48 FUNÇÕES Transferência de dados Teclado para a tela Memória Transferência Controle Processamento 12/48 6
FUNÇÕES Armazenamento de dados Download da internet para o computador Memória Transferência Controle Processamento 13/48 FUNÇÕES Processamento de dados na memória Cálculo de juros da poupança Memória Transferência Controle Processamento 14/48 7
FUNÇÕES Processamento de dados da memória para E/S Impressão de arquivo Memória Transferência Controle Processamento 15/48 ESTRUTURA Estrutura do computador Periféricos Memória Computador E/S Barramento do sistema Linhas de comunicação CPU 16/48 8
ESTRUTURA Principais componentes Unidade Central de Processamento: controla a operação do computador e realiza suas funções de processamento de dados, normalmente chamada de processador. Memória Principal: armazena dados. E/S: move dados entre o computador e o ambiente externo. Barramento: mecanismo que oferece comunicação entre CPU, memória principal e E/S. E/S Barramento do sistema Memória CPU 17/48 ESTRUTURA Estrutura da CPU Registradores CPU Unidade de controle Barramento interno Unidade lógica e aritmética 18/48 9
1ª Geração: Válvulas A válvula é um tubo de vidro, similar a uma lâmpada fechada sem ar em seu interior. Um ambiente fechado a vácuo, e contendo eletrodos, cuja finalidade é controlar o fluxo de elétrons. Válvula (ou tubo de vácuo) 19/48 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) Primeiro computador digital eletrônico de propósito geral no mundo. Projetado e construído na Universidade da Pensilvânia. Começou em 1943, como uma resposta às necessidades dos EUA na 2ª guerra. 20/48 10
ENIAC Inicialmente criado para cálculos balísticos. Tabelas de trajetórias para armas. Terminou em 1946 Tarde demais para ser utilizado na guerra Posteriormente foi utilizado no projeto da bomba de hidrogênio. Foi utilizado até 1955. 21/48 ENIAC (Características) Programado manualmente por chaves e conexão de cabos. 800 km de cabos. 18 mil válvulas. 30 toneladas. Ocupava 180 m². 140 kw de energia. 22/48 11
ENIAC (Desempenho) O ENIAC era extremamente rápido para sua época realizando cerca de 5.000 adições e 360 multiplicações por segundo. Reduziu de 20h para 30s o tempo para calcular uma tabela balística. 23/48 John Von Neumann Projetista do ENIAC Conceito de programa armazenado Instituto de Estudos Avançados de Princeton (1946) IAS (computador de programa armazenado) Completo em 1952 24/48 12
Máquina de Von Neumann (IAS) A memória principal, que armazena os dados e instruções. 25/48 Máquina de Von Neumann (IAS) Uma unidade lógica e aritmética (ALU) capaz de funcionar com dados binários 26/48 13
Máquina de Von Neumann (IAS) Uma unidade de controle, a qual interpreta as instruções de memória e faz com que elas sejam executadas. 27/48 Máquina de Von Neumann (IAS) Equipamento de entrada e saída (I / O) operado pela unidade de controle. 28/48 14
Computadores comerciais UNIVAC 1 (1950) Primeiro computador comercial de sucesso. Cálculos do censo dos EUA de 1950. UNIVAC 2 Fim dos anos 1950. Mais rápido e com mais memória. IBM lança seu primeiro computador de programa armazenado, o 701 (1953) Voltado para aplicações científicas 29/48 Problemas das máquinas de válvulas Eram válvulas eletrônicas com aproximadamente o tamanho de uma lâmpada elétrica. Elas geravam muito calor provocando diversos problemas. Frequentemente queimavam e não se sabia se a parada dizia respeito à programação ou à máquina. Vida útil da válvula eletrônica: Possui uma duração média de 800 a 1000 horas (num computador existiam entre 10.000 e 20.000). 30/48 15
2ª Geração: Transistores Substituição das válvulas. Menores. Mais baratos. Dissipam menos calor. Dispositivo de estado sólido (feito de silício). Inventado na Bell Labs (1947). 31/48 Válvula x Transistor 32/48 16
Características da 2ª geração Introdução de unidades aritméticas e lógicas e unidades de controle mais complexas O uso de linguagens de programação de alto nível O fornecimento de sistema software com o computador 33/48 Computadores baseados em transistores NCR e RCA produziram máquinas de transistores menores. IBM lança a série 7000. Lançamento do PDP-1 pela DEC (Digital Equipment Corporation) em 1957 1º com display visual. 34/48 17
3ª Geração: Circuitos Integrados Circuito Integrado (CI): Um circuito eletrônico que incorpora miniaturas de diversos componentes (principalmente transistores, diodos, resistores e capacitores), "gravados" em uma pequena lâmina (chip) de silício 35/48 36/48 18
Lei de Moore (1965) Gordon Moore (cofundador da Intel). Aumento na densidade dos componentes do chip. Número de transistores em um chip dobram a cada ano. Desde 1970, o desenvolvimento diminuiu, com o número de transistores dobrando a cada 18 meses. 37/48 Consequências da Lei de Moore Maior densidade significa caminhos elétricos menores, implicando em maior performance. Reduz requisitos de energia e resfriamento. Menos interconexões aumentam a confiabilidade. O computador torna-se menor, fazendo com que seja mais conveniente colocá-lo em diversos ambientes. 38/48 19
IBM System/360 (1964) Uma nova família de computadores. Substituiu (e era incompatível com) a Série 7000. Capaz de evoluir com a nova tecnologia de CI s. Primeira família de computadores planejada Sistema operacional idêntico ou similar. Maior velocidade. Maior número de portas de E/S. Mais memória. Maior custo. 39/48 IBM System/360 (1964) A substituição da família 7000 pelo novo modelo foi um passo corajoso, mas que a IBM achou necessária para romper com algumas restrições da arquitetura 7000. A estratégia compensou financeira e tecnicamente. Com algumas modificações e extensões, a arquitetura da família 360 permanece até hoje nos mainframes da IBM. 40/48 20
DEC PDP-8 (1964) Primeiro minicomputador. Não precisava de uma sala com ar condicionado. Pequeno o suficiente para ficar em uma bancada. US$ 16.000 IBM 360 custava centenas de milhares de dólares. Aplicações embarcadas. Estrutura de barramento Universal nos microcomputadores. 41/48 Estrutura de barramento do PDP-8 Controlador do Console CPU Memória Principal Módulo de E/S Módulo de E/S OMNIBUS 42/48 21
Gerações Posteriores Memória Semicondutora Memória magnética (Anos 50 e 60) Núcleo magnético (menos de 1 polegada de diâmetro). Cara, volumosa. Leitura destrutiva (ao ler um núcleo, os dados armazenados nele eram apagados). Fairchild (1970). Tamanho de um núcleo e tinha capacidade de 256 bits de memória. Não destrutiva e mais rápida que a magnética. 43/48 Microprocessadores Com o passar do tempo, mais e mais elementos foram colocados em cada chip de processador Menos chips necessários para a construção de um processador de computador Intel 4004 (1971) Primeiro microprocessador (4 bits) Todos os componentes da CPU em um único chip Intel 8080 (1974) Primeiro microprocessador de propósito geral (8 bits) Projetado para microcomputadores de uso geral 44/48 22
Atualmente 45/48 RECOMENDAÇÃO Dar uma lida no capítulo 2, pois mostra uma tabela da evolução dos processadores com o passar do tempo. 46/48 23
PRÓXIMA AULA... Visão de alto nível da função e interconexão do computador (Capítulo 3) 47/48 48/48 24