Aula 2: Histórico da Evolução dos Computadores Diego Passos Universidade Federal Fluminense Fundamentos de Arquiteturas de Computadores Diego Passos (UFF) Histórico FAC 1 / 46
Dispositivos Primitivos de Computação Diego Passos (UFF) Histórico FAC 2 / 46
O Conceito de Computação O que é significa o conceito de computação? No seu nível mais básico, é a manipulação de dados para algum fim Nos primórdios da computação, os dados eram números E as manipulações eram operações/funções matemáticas Hoje, a computação engloba um universo muito mais abrangente: Informação pode ser números, textos, datas, mapas, imagens, áudio, vídeo, As manipulações podem incluir análise de imagens, tratamento de fotos, transmissão de dados, Diego Passos (UFF) Histórico FAC 3 / 46
O Primeiro Computador? O primeiro equipamento de cálculo da história é provavelmente o ábaco Registros históricos datando de 5000 ac Vários locais: Grécia, China, Um ábaco é formado por uma série de hastes paralelas presas em uma moldura Cada haste possui uma determinada quantidade de contas (tipicamente, pequenas esferas ou fichas) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 4 / 46
Ábaco: Representação de Números Um tipo comum de ábaco é o Soroban (Ábaco Japonês) O Soroban possui 5 contas em cada haste, sendo a de cima separada das outras 4 Cada haste representa um algarismo decimal Unidades mais à esquerda, depois dezenas, centenas, Cada conta do grupo de baixo que é levantada representa uma unidade a mais no algarismo Se a conta de cima é abaixada, deve-se acrescentar 5 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 5 / 46
Ábaco: Realizando Cálculos Uma vez tendo representado um determinado número no ábaco, é fácil somá-lo com outro Basta realizar as somas algarismo a algarismo, repassando corretamente o vai-um Com a prática, é possível realizar somas grandes rapidamente Também há algoritmos para outras operações, como subtrações multiplicações e divisões Podemos ainda arbitrar uma posição para a vírgula e fazer contas com números fracionários Aritmética de ponto fixo Diego Passos (UFF) Histórico FAC 6 / 46
Régua de Cálculo Outro dispositivo manual que permite realizar cálculos é a Régua de Cálculo Ao contrário de uma régua comum, com escala linear, contém escalas logarítmicas Possui peças móveis para que as escalas possam deslizar umas sobres as outras 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 7 / 46
Régua de Cálculo: Realizando Cálculos Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações Isso porque log(x) + log(y) = log(x y) Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3 Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 8 / 46
Régua de Cálculo: Realizando Cálculos Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações Isso porque log(x) + log(y) = log(x y) Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3 Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 8 / 46
Régua de Cálculo: Realizando Cálculos Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações Isso porque log(x) + log(y) = log(x y) Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3 Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 8 / 46
Régua de Cálculo: Realizando Cálculos Como possui escalas logarítmicas, a régua de cálculo facilita muito as multiplicações Isso porque log(x) + log(y) = log(x y) Considere um exemplo simples: multiplicar 2 por 3 Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 1 coincida com o 3 da escala A Em seguida, encontramos o valor 2 na escala B Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente Este valor é o resultado da multiplicação 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 8 / 46
Régua de Cálculo: Divisões As divisões também são triviais Porque log(x) log(y) = log(x/y) Outro exemplo simples: dividir 8 por 4 Primeiramente, deslizamos a escala B até que sua marca 4 coincida com o 8 da escala A Em seguida, encontramos o valor 1 na escala B Finalmente, verificamos na escala A qual o valor coincidente Este valor é o resultado da divisão 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 9 / 46
Régua de Cálculo: Outras Operações Modelos modernos da régua de cálculo geralmente trazem várias escalas diferentes Escalas logarítmicas de uma, duas, três décadas Escalas lineares Escalas logarítmicas invertidas Escalas trigonométricas É possível realizar um grande número de operações Multiplicação, divisão, logaritmos, raízes, potências, exponenciais, Algumas realizam conversões de unidades Diego Passos (UFF) Histórico FAC 10 / 46
Régua de Cálculo: História A régua de cálculo foi criada em 1632 por William Oughtred Nas décadas de 1950 e 1960 eram muito difundidas entre engenheiros, físicos e cientistas Até astronautas das missões Apollo levavam réguas nas viagens A partir de meados da década de 1970, com a redução do custo das calculadoras eletrônicas, réguas cairam em desuso Diego Passos (UFF) Histórico FAC 11 / 46
Computadores Mecânicos Dispositivos como a régua de cálculo e o ábaco são manuais Usuário realiza todo o trabalho Dispositivos apenas organizam os dados de forma a simplificar cálculos Durante o século XVII, alguns físicos e matemáticos viram a necessidade de automatizar cálculos Nesta época, começaram a surgir calculadoras mecânicas Dispositivos mecânicos capazes de realizar automaticamente operações aritméticas Diego Passos (UFF) Histórico FAC 12 / 46
A Pascalina A primeira calculadora mecânica bem sucedida foi a Pascalina Também conhecida como a Calculadora de Pascal Criada em 1642 por Blaise Pascal Capaz de realizar somas e subtrações com vai-um Diego Passos (UFF) Histórico FAC 13 / 46
A Pascalina: Interface Possui um acumulador cujos algarismos são exibidos em um mostrador Há também um conjunto de dials (similareas a de telefones antigos) Cada um representa um algarismo de entrada Ao girar um dial, seu valor é adicionado ao acumulador Subtrações são obtidas através de complemento a 9 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 14 / 46
Stepped Reckoner: A Calculadora de Leibniz Uma das limitações da Pascalina era a impossibilidade de realizar multiplicações Em 1672, o matemático alemão Gottfried Leibniz projetou uma máquina que seria capaz de realizar as 4 operações básicas Esta máquina, chamada de Stepped Reckoner, utilizava um dispositovo mecânico conhecido como Roda de Leibniz A Stepped Reckoner nunca funcionou de forma confiável, devido a falhas de projeto e limitações do processo de fabricação Mas o conceito da Roda de Leibniz ficou Serviu de base para outras calculadoras mecânicas utilizadas durante 200 anos Diego Passos (UFF) Histórico FAC 15 / 46
Charles Babbage Matemático, físico e engenheiro inglês Nascido em 1791 Projetou e construiu computadores mecânicos Bem complexos que as calculadoras da época Por suas invenções, é às vezes chamado de Pai do Computador Diego Passos (UFF) Histórico FAC 16 / 46
Máquina de Diferenças Primeiro computador mecânico projetado por Charles Babbage Motivado pela necessidade de tabelas numéricas confiáveis para funções matemáticas Capaz de calcular valor de polinômios usando o método de diferenças finitas Evita a necessidade de multiplicações e divisões Dada a capacidade de computar polinômios, é possível calcular aproximações para funções mais complexas Logaritmos, funções trigonométricas, Diego Passos (UFF) Histórico FAC 17 / 46
Máquina Analítica Outro computador mecânico projetado por Babbage Muito mais complexo que a Máquina de Diferenças Primeiro computador de propósito geral Não era apenas uma calculadora, com operações pré-determinadas Permitiria programação através de cartões perfurados Em outras palavras: seria possível executar algoritmos Diego Passos (UFF) Histórico FAC 18 / 46
Máquina Analítica (Mais) A Máquina Analítica nunca foi (completamente) construída Muito complexa para a tecnologia e os métodos de fabricação da época Parte dela foi construída mais recentemente e está exposta no Museu de Ciência de Londres Mesmo assim, seus projetos estabeleceram princípios presentes até hoje nos computadores modernos Unidade lógica-aritmética, Controle de Fluxo de Execução, Repetições, Memória, Embora a Máquina de Diferenças tenha sido um passo importante, a Máquina Analítica foi a principal contribuição de Babbage Alguns historiadores acreditam que ela deu origem à primeira programadora da história Ada Lovelace Diego Passos (UFF) Histórico FAC 19 / 46
Computadores Elétricos e Eletrônicos Diego Passos (UFF) Histórico FAC 20 / 46
O Relé Eletromecânico Computadores mecânicos complexos eram de difícil fabricação Requeriam muita precisão na montagem e fabricação das peças Além de projetos muito grandes No início do Século XX, notou-se que computadores utilizando componentes elétricos poderiam ser uma alternativa O principal personagem desta mudança de paradigma foi o relé eletromecânico Diego Passos (UFF) Histórico FAC 21 / 46
O Relé Eletromecânico (Mais) Um relé é um componente elétrico que funciona como uma chave Pode ser aberta ou fechada através de corrente elétrica Uma chave controlada por circuito permite a representação de dois estados: ligado e desligado Podemos armazenar informação e operar sobre ela Origem da computação digital Vcc Representação de um bit 1 Vcc Vcc Vcc Representação de um bit 0 Operação Lógica OU Operação Lógica E Diego Passos (UFF) Histórico FAC 22 / 46
Computadores Z1 e Z3 Em 1938, o alemão Konrad Zuse construiu um computador mecânico chamado Z1 Não era possível utilizá-lo por um período longo Na mesma época, Zuse recebeu a sugestão de construir um modelo baseado em componentes elétricos/eletrônicos Após construir um primeiro protótipo chamado Z2, Zuse conseguiu financiamento para construir uma versão melhorada, o Z3 Utilizava relés Primeiro computador programável, digital, e totalmente funcional Serviu a propósitos de guerra e foi destruído após seu fim Análises aerodinâmicas Diego Passos (UFF) Histórico FAC 23 / 46
Z3: Desempenho Construído com 2000 relés Operava sobre números de 22 bits Clock de 5 a 10 Hz Código executável e dados eram armazenados em cartões perfurados Diego Passos (UFF) Histórico FAC 24 / 46
A Válvula Eletrônica O uso de relés permitiu os primeiros computadores elétricos No entanto, relés são lentos Troca de estado demora Em um computador, bits trocam de estado a todo momento Tempo de transição dos relés é um gargalo Solução encontrada: Utilizar válvulas eletrônicas Chaveamento mais rápido Início dos computadores eletrônicos Diego Passos (UFF) Histórico FAC 25 / 46
O ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer Primeiro computador de propósito geral eletrônico Usava válvulas Projetado por John Mauchly e John P Eckert (Universidade da Pensilvânia) Mais de 17000 válvulas e 800 Km de cabos Cerca de 30 toneladas Consumia 150 KW de potência Operou até 1955 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 26 / 46
O ENIAC (Mais) Programação era feita pela manipulação de chaves e cabeamento Dados podiam ser lidos de cartões perfurados Armazenava números em base decimal Diego Passos (UFF) Histórico FAC 27 / 46
John von Neumann Físico e matemático do século XX Participou como consultor no projeto e construção do EDVAC Figura importante na história da computação Propôs a Arquitetura de Von Neumann Diego Passos (UFF) Histórico FAC 28 / 46
Arquitetura de Von Neumann Características: Computador eletrônico de programa armazenado Código e dados em memória única (Quase) Mesma empregada até hoje Normalmente, se opõe à Arquitetura de Harvard: Programa também é armazenado Mas há memórias (barramentos) diferentes Consequência da memória única: Impossível ler instrução e dados simultaneamente Gargalo de Von Neumann E/S UCP Unidade de Controle Unidade Lógica-Aritmética Memória Diego Passos (UFF) Histórico FAC 29 / 46
O Transistor Na década de 60 começaram a se popularizar Substituíram as válvulas nos computadores Menores Menor consumo Mais baratos Mais confiáveis Mais duráveis Diego Passos (UFF) Histórico FAC 30 / 46
O TX-0 Transistorized Experimental computer zero Primeiro computador transistorizado Desenvolvido no MIT Construído em 1955 Usava 3600 transistores Diego Passos (UFF) Histórico FAC 31 / 46
O PDP-1 Programmed Data Processor-1 Desenvolvido pela DEC (Digital Equipment Corporation) Construído em 1959 Aproximadamente 9 KB de memória Versão básica custava $150000,00 (equivalente a $950000,00 em 2015) Diego Passos (UFF) Histórico FAC 32 / 46
Linguagens de Alto Nível Em 1957, IBM (John W Backus) cria a primeira linguagem de programação de alto nível Fortran: Formula Translating System Alternativa à linguagem de montagem no IBM 704 Inicialmente, programas eram escritos em cartões perfurados Diego Passos (UFF) Histórico FAC 33 / 46
O Circuito Integrado No final da década de 1950, surgem os primeiros circuitos integrados Ideia de agrupar circuitos eletrônicos em uma unidade, o chip Em relação aos componentes discretos: Mais baratos Mais eficientes Menores Diego Passos (UFF) Histórico FAC 34 / 46
O IBM /360 Família de computadores Mesma arquitetura, linguagem de máquina parecida, capacidades diferentes Lançado em 1965 pela IBM Modelo inicial capaz de executar 34500 instruções por segundo No máximo 64 KB de memória (também no modelo inicial) Último modelo lançado em 1978 Muito bem sucedido no mercado Até hoje, IBM mantém algum nível de compatibilidade das aplicações com servidores atuais Diego Passos (UFF) Histórico FAC 35 / 46
O Microcomputador Computadores como o IBM /360 eram mainframes Grandes computadores de alta capacidade Geralmente, compartilhados por vários usuários Em 1975, a MITS lança o Altair 8080 Primeiro microcomputador Capacidade relativamente baixa Uso individual Menor Mais barato Usava o 8080, processador de 8 bits da Intel Tinha um interpretador da linguagem Basic Desenvolvido por Bill Gates e Paul Allen Diego Passos (UFF) Histórico FAC 36 / 46
O PC Os microcomputadores se popularizaram Pequenos e baratos Adequados para casas e pequenos escritórios Em 1981, a IBM lança o IBM PC Baseado na arquitetura 8086 Muito bem sucedido no mercado Se tornaria um padrão de fato Outros fabricantes começaram a vender computadores PC-compatible Diego Passos (UFF) Histórico FAC 37 / 46
Miniaturização A partir da década de 90, o processo de miniaturização dos computadores continuou acelerado Ao mesmo tempo, a capacidade (processamento e memória) também aumentou rapidamente Diego Passos (UFF) Histórico FAC 38 / 46
Computadores Modernos Diego Passos (UFF) Histórico FAC 39 / 46
Computadores Atuais: Componentes Típicos Diego Passos (UFF) Histórico FAC 40 / 46
Supercomputadores Computadores de grande capacidade Processamento, memória, Capazes de realizar trilhões (ou mais) de operações por segundo Usam muitos processadores interconectados Utilizados para aplicações como previsão do tempo e simulações científicas Bastante caros Diego Passos (UFF) Histórico FAC 41 / 46
Clusters e Grades Computacionais Alternativa mais barata para computação de alto desempenho Ideia de formar um computador com processadores fracamente acoplados Em geral, computadores pequenos separados conectados por uma rede Diego Passos (UFF) Histórico FAC 42 / 46
GPUs A demanda por aplicações e jogos com gráficos cada vez melhores levou ao surgimento das GPUs Unidades de processamento específicas para gráficos Normalmente contém muitos processadores especializados trabalhando em paralelo Potencial também para processamento de propósito geral Inclusive, em clusters de GPUs Diego Passos (UFF) Histórico FAC 43 / 46
Lei de Moore Em um artigo em 1965, Gordon E Moore, fundador da Intel fez uma observação Segundo ele, o número de transistores nos computadores aproximadamente dobrava a cada dois anos Ele fez a previsão de que esta tendência continuaria Diego Passos (UFF) Histórico FAC 44 / 46
Histórico do Desempenho dos Computadores Com o aumento exponencial do número de transistores, veio também um aumento exponencial do desempenho Diego Passos (UFF) Histórico FAC 45 / 46
Histórico do Desempenho dos Computadores (Mais) Modelo ENIAC IBM 704 IBM S/360 M50 VAX 11-780 Sun SPARC Dell 4600 Data 1946 1955 1965 1978 1992 2003 Tempo para soma 200 us 24 us 4 us 400 ns 25 ns 208 ps Tempo de acesso à 12 us 2 us 200 ns 80 ns 3 ns memória Memória Total 168 KB 64 KB 128 KB 128 MB 256 MB Aluguel $48000 $3200 $6000 Compra $500000 $1390000 $409000 $128000 $15000 $800 Atualizado (2003) $4,7 M $9,5 M $2,4 M $360000 $19600 $800 Diego Passos (UFF) Histórico FAC 46 / 46