Organização e Arquitetura de Computadores

Organização e Arquitetura de Computadores Introdução (Parte II) Evolução dos Computadores (Informações Adicionais) Prof.: João Bosco Estevam Geração Zero Computadores Mecânicos (-1642-1945) A Primeira Geração Válvulas (1945-1955) A Segunda Geração Transistores (1955-1965) A Terceira Geração Circuitos Integrados (1965-1980) A Quarta Geração Integração de Circuitos em Escala Muito Alta (1980-?) 2 Geração Zero Computadores Mecânicos (1642-1945) 1945) 1642 - Primeiro instrumento moderno de calcular uma somadora (Máquina de Pascal) construído por Blaise Pascal (físico, matemático e filósofo francês, 1623-1662). 3 Pascal construiu a máquina com 19 anos. Dispositivo inteiramente mecânico, usava várias engrenagens, acionado por uma alavanca. 4

Evolução dos Computadores Breve 1671 - Gottfried Wilhelm Leibnitz (filósofo e um dos formuladores do cálculo integral, 1646-1716) projetou a primeira máquina m de multiplicação e divisão, além de soma e subtração. 1822 - Charles Babbage (matemático, 1792-1871) inventa a Máquina Diferencial, utilizando os cartões de Jacquard. Funções trigonométricas e logaritmos eram calculados na máquina. Equivalente às calculadoras de bolso que efetuam as quatro operações. 5 Outra invenção - Velocímetro. 6 Evolução dos Computadores Breve Evolução dos Computadores Breve Máquina Diferencial 1834 Babbage inventou a precursora dos computadores digitais de hoje, a Máquina Analítica tica. Idealizada para construir tabelas de números n para navegação naval. Construída para executar um único algoritmo método das diferenças finitas usando polinômios. Método para disponibilizar informações na saída resultados perfurados em um prato de cobre. Usava a base 10, máquina mecânica, trabalhava a vapor. Programação seqüencial de operações, um procedimento que hoje chamamos de sistema operacional. Por seu trabalho na máquina analítica, Babbage é considerado um dos pioneiros dos computadores. As máquinas de Babbage nunca foram construídas 7 8

Evolução dos Computadores Breve Máquina Analítica de Babbage - Anteviu os passos que até hoje são a base do funcionamento de um computador, possuindo 4 componentes: Unidade de entrada - alimentação de dados, através de cartões perfurados; Unidade de saída saída impressa e perfurada em cartões; Unidade de memória 1000 palavras de 50 dígitos DECIMAIS, capaz de armazenar variáveis e resultados. Unidade de computação aceitava operandos da memória, operações soma, subtração, multiplicação e divisão (somava dois desses números em 1 s) e enviava o resultado para a memória. Termos originais dos 4 componentes: store, mill, input section e output section. 9 Máquina Analítica - programável em linguagem de montagem simples software. Ada Byron King (Matemática), compreendeu o funcionamento da Máquina Analítica e escreveu os melhores relatos sobre o processo. Companheira de Babbage, iniciou o ambicioso projeto de construção da Máquina Analítica. Criou programas para a máquina - primeira programadora de computador. É uma das poucas mulheres a figurar na história do processamento de dados. 10 A máquina de Babbage não foi construída: a tecnologia da época era incapaz de fornecer a precisão necessária. Babbage não dispunha de recursos para financiá-la, nem encontrou investidores dispostos a ir além de algumas doações. Seus projetos e idéias foram a base para outros projetos anos adiante. Concepção dos fundamentos lógicos para a criação de programas: lógica matemática/álgebra booleana (matemático George Boole, Inglaterra, 1854) Estabelecimento de uma forma de armazenamento e processamento de dados utilizando relações binárias: As leis do pensamento (matemático George Boole, Inglaterra, 1854) Em 1991, o Science Museum de Londres desenvolveu o Engenho Diferencial utilizando os planos de Babbage e funcionou perfeitamente. 11 12

Década de 1930 Tentativas de substituir as partes mecânicas dos computadores por partes elétricas. O uso de relés era uma forma de fazer essas substituições, mas o alto custo, tamanho físico e baixo desempenho eram as desvantagens desses tipos de máquinas. Década de 1930 Konrad Zuse (alemão) construiu uma série de máquinas de calcular automáticas usando relés eletromecânicos. 13 14 Outros projetistas de máquinas de calcular: John Atanasoff e George Stibbitz (Estados Unidos) 1944 - Mark I (Howard Aiken) - primeiro computador eletromecânico construído. Máquina de John Atanasoff Usava aritmética binária e tinha capacitores para armazenar informação (necessidade de recarga periódica mesmo princípio da memória DRAM). Nunca funcionou efetivamente. Máquina de George Stibbitz Mais rudimentar e funcionou plenamente. 15 Características do Mark I 18 metros de comprimento 2 metros de largura Peso - 70 toneladas. 7 milhões de peças móveis Fiação alcançava 800 Km. Tinha 72 palavras de 23 dígitos decimais Tempo de execução de uma instrução 6 segundos. Construção do Mark II (Sucessor do Mark I) Computadores a relé já estavam obsoletos. 16

Primeira Geração Válvulas (1945-1955) 1955) 17 Evolução dos Computadores Breve O tubo de vidro na ilustração possui um terminal positivo e um negativo (o cátodo e o ânodo) separados por uma grade de fios. Os elétrons do cátodo c são atraídos pelo ânodo e fazem uma corrente de elétrons passar através s da válvula. v O fluxo natural dos elétrons negativos para o terminal positivo é intensificado de duas maneiras: o cátodo se aquece até a incandescência e sua superfície é tratada com um produto químico especial. A grade de controle está situada entre o cátodo e o ânodo e geralmente não interfere no movimento dos elétrons. Mas, quando uma carga negativa é aplicada à grade, os elétrons são repelidos e não atingem o ânodo. A força repulsora da grade supera a força de atração do ânodo e o fluxo dos elétrons cessa. A corrente é interrompida e o interruptor se desliga. 18 Computadores Eletrônicos Principal estímulo Segunda Guerra Mundial. Colossus (Alan Turing, operacional em 1943) 1932 - Marian Rejewski Codebreaker polonês desvenda o segredo dos rotores. 1939 Ingleses aprendem a decodificar as mensagens. Problema dificuldade de decodificação ão. Solução - COLOSSUS Enigma O O orgulho alemão 19 20

Colossus Considerado o primeiro computador eletrônico digital construído no mundo. Características: Desenvolvido com a tecnologia de válvulas. v Capaz de processar cerca de 5 mil caracteres por segundo. Capaz de quebrar o código c da segunda geração de máquinas ENIGMA. No final da guerra, dez Colossus em operação constante permitiam que os ingleses soubessem melhor que o comando alemão onde se encontravam seus submarinos. Outra conseqüência da guerra Cientistas americanos trabalham no desenvolvimento de máquinas de computação. Objetivo calcular tabelas de direção de tiro para auxiliar na pontaria da artilharia americana. Solução ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer) 21 22 Evolução dos Computadores Breve ENIAC Características do ENIAC (A última grande calculadora) 3 anos para ser construído Possuía: 18.000 válvulas (aproximadamente) 70.000 resistências, 10.000 capacitores, 1.500 relés 6.000 comutadores manuais. 500.000 conexões de solda 30 toneladas de peso 5,5 m de altura 25 m de comprimento 150 m² de área 23 24

Características do ENIAC (A última grande calculadora) Acionamento: motor equivalente a dois potentes motores de carros de quatro cilindros, enquanto um enorme ventilador refrigerava o calor produzido pelas válvulas. Consumo: 150 kw ao produzir o calor equivalente a 50 aquecedores domésticos. Arquitetura do ENIAC: composta de 20 registradores (cada um capaz de armazenar um número decimal de 10 dígitos) Programação ão: através de fios e pinos (como painel telefônico, usando 6.000 chaves) Executava 5000 adições/subtrações ou 300 multiplicações por segundo Para programar demorava 1 ou 2 dias Grande limitação ão: capacidade de armazenamento. 25 Conclusão do ENIAC (1946) inútil para os propósitos originais. Sucessoras: EDSAC (1949), JOHNIAC, ILLIAC, MANIAC, WEIZAC. Outra invenção do construtores do ENIAC (Eckert e Mauchley) EDVAC (Electronic Discret Variable Automatic Computer). John von Neumann versão própria do EDVAC Máquina IAS. 26 30 June 1945 John von Neuman (consultor do projeto ENIAC) Criou o conceito de programa armazenado Criou o conceito de operações com número n binário Desenvolveu a lógica dos circuitos Denominação atual da máquina proposta Máquina de Von Neumann Máquina de Von Neumann Componentes básicosb Memória Unidade Aritmética tica LógicaL Unidade de controle Dispositivos de entrada/saída 27 28

A máquina m original de Von Neumann Características da Máquina M de Von Neumann Aplicação ão: Máquina IAS (Institute of Advanced Studies Princeton) Memória 4.096 palavras de 40 bits Cada palavra armazenava 2 instruções de 20 bits ou um número de inteiro com sinal de 40 bits Instrução: 8 bits tipo da instrução, 12 bits especificar uma das 4096 palavras de memória. Unidade aritmética tica lógica l Registrador especial de 40 bits acumulador Não processava números reais 29 30 Evolução dos Computadores Breve MIT desenvolve o Whirlwind I Palavra de 16 bits. Projetado para controle de processos em tempo real. Projeto levou ao invento das memórias de núcleos magnéticos e ao primeiro minicomputador comercial. IBM Início produzir perfuradoras de cartão e máquinas mecânicas para separar cartões. IBM 701 (2048 palavras de 36 bits, duas instruções por palavra. IBM 704 (4 K de memória, instruções de 36 bits, hardware para processamento de números em ponto flutuante. 1958 Produção da última máquina m a válvula v (IBM 709). 31 32

IBM 701 1 o computador de grande porte da IBM Usado na guerra da Coréia Segunda Geração Transistores (1955-1965) 1965) 33 34 1948 (Bell Labs.) - invenção do Transistor. O Prêmio Nobel de 1956 foi conferido à equipe cuja pesquisa levou à invenção do transistor. Transistor passou a ser um componente básico na construção de computadores e apresentava as seguintes vantagens: aquecimento mínimo Baixo consumo de energia mais confiável e veloz do que as válvulas Usando elementos semicondutores, os transistores funcionam como chaves, porém são menores, mais rápidos, não esquentam, duram mais e consomem menos energia que as válvulas. 35 36

Primeiro Computador transistorizado (MIT) TX-0 (Transistorized experimental computer 0) DEC PDP-1 (4 K palavras de 8 bits e clock com período de 5 µs, preço: 120.000 dólares). PDP-8 (máquina de 12 bits, preço: 16.000 dólares, barramento único. IBM (Início do domínio) 7090, 7094 (clock com período de 2 µs, memória de 32 K palavras de 36 bits cada). 1401 (uso comercial). PDP-1 37 Barramento Omnibus do PDP-8 38 CDC (Control( Data Corporation) 6600 (alta velocidade, conceito de processamento paralelo, hardware composto de um conjunto de pequenos processadores), denominação atual: Supercomputadores. Sucessores do 6600: 7600 e Cray-1 Terceira Geração Circuitos Integrados (1965-1980) 1980) Burroughs B5000 Máquina construída com o objetivo de rodar programas escritos em Algol 60. Fortalecimento do software 39 40

Características dos Circuitos Integrados 1958 - Jack Kilby (Texas Instruments) - construção do primeiro circuito integrado, contendo cinco componentes em uma peça de germânio com meia polegada de comprimento e fina como um palito de dente. Evolução 41 transistores e outros componentes eletrônicos miniaturizados montados em um único chip; maior confiabilidade (não tem partes móveis); muito menores (equipamento mais compacto e mais rápido pela proximidade dos circuitos); baixo consumo de energia (miniaturização dos componentes) custo de fabricação muito menor. Primeiros CIs: 10 ou 20 transistores em um chip (SSI - Small-Scale Integration). Final dos anos 60: de 20 a 200 transistores em um chip (MSI - Medium-Scale Integration). Final dos anos 70: até 5000 transistores em um chip (LSI - Large- Scale Integration). 42 Família de MáquinasM Implementadas a partir de circuitos integrados, projetada para computação científica e/ou aplicações comercias Mesma linguagem de montagem e com tamanhos variando dentro de um espectro de preço e desempenho. Exemplo: IBM System/360 Multiprogramação, 16 registradores de 32 bits, espaço de endereçamento: 16 Mbytes. Avanço o das indústrias dos minicomputadores 1961: IBM Família IBM/360 transistorizados sistema modular mais poderosos e mais baratos aceitavam uma grande variedade de periféricos foram vendidas milhares de unidades no mundo todo dando à IBM a hegemonia absoluta 43 44

Quarta Geração Integraçao ao de Circuitos em Escala Muito Alta (1980 -?) Década de 1980 VLSI (Very Large Scale Integration) Diferença significativa: microcomputadores, minicomputadores e computadores de grande porte. Primeiros microcomputadores (microprocessador 8080) Apple e Apple II IBM entra no mercado de microcomputadores PC da IBM (Sistema Operacional: MS-DOS) O primeiro computador portátil (Osborne I). Estratégia equivocada da IBM divulgação do projeto surgimento de CLONES IBM + Microsoft lançam am o sistema operacional OS/2 fracasso Microsoft lança a Windows (Crise da IBM). 45 46 Apple I Apple II Meados da Década D de 1980 Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) em substituição a Arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer) Anos 1990 Processadores Superescalares (execução de várias instruções simultaneamente) IBM PC Osborne I 47 48

2002 O Pentium 4 é construído com uma tecnologia de 0,13 micrômetros e possui 55 milhões de transistores. O supercomputador japonês Earth Simulator criado pela NEC para simular mudanças no clima do planeta possui 5104 processadores e ocupa uma área equivalente a três quadras de tênis. Seu desempenho esta em torno de 35 teraflops, realiza 35,86 trilhões de cálculos por segundo. Pentium 4 49 "Simulador da Terra" 50 2003 AMD lança o processador Opteron O Opteron é o primeiro processador para a arquitetura CISC capaz de trabalhar a 64 bits utilizando as instruções IA-32 (conhecidas também pelo nome x86). Possui transistores de 0,13 mícron, possuindo no total 100 milhões de transistores. Pode endereçar até 1 TeraByte de memória RAM. Suporta até 8 processadores na mesma placa-mãe. 51 Tendências Os grandes computadores caminham para o processamento paralelo. O Futuro Computadores ópticos, Nanotecnologia, Computação biológica, Armazenar bits no spin do átomo? Computador quântico. 52

Tendências Em cinco décadas, o computador deixou de ser um sistema "monstro" a pesar toneladas e a ocupar centenas de metros quadrados, sendo nos nossos dias, pequenos sistemas com uma capacidade de cálculo incomensuravelmente superior aos primeiros. Início do séculos - os "computadores" não passavam de simples máquinas de calcular ou de ler cartões perfurados que eram construídas usando engrenagens e relês. A "energia" que fazia tudo funcionar era a própria força do operador, que precisava girar uma manivela a cada operação. Final da década d de 50 - os computadores passaram a ser construídos usando transistores, que não eram lá tão menores que as válvulas usadas durante a década de 40, mas que já eram bem mais eficientes e confiáveis. 53 Tendências Uma década d depois - os transistores já eram bem menores e surgiu o circuito integrado. Depois surgiram os primeiros microprocessadores. A solução para construir computadores mais rápidos e mais baratos passou a ser produzir transistores cada vez menores. Hoje, uns dos menores transistores (produzidos pela Intel) já medem apenas 0.02 mícronm cron. Os processadores produzidos comercialmente ainda estão nos 0.13 mícron. Pode-se dar quase como certos, processadores de 15 ou 20 GHz, com 600 milhões de transistores até o final da década. O que virá depois dos super mainframes de 0.02 mícron? m Quem sabe outros, agora de 0.01 mícron? m Ou mesmo de 0.005 mícron, usando nanotubos?? Alguns acreditam que eles sejam possíveis, mas vamos pensar um pouco mais adiante, quando finalmente todos os fabricantes tiverem esgotado sua munição transistorizada. 54 Evolução dos Computadores A Fauna Computacional Modelagem do avanço tecnológico Lei de Moore Avanços na tecnologia (transistores/chips) Novos mercados, novas empresas Produtos Melhores a preços mais baixos Novas Aplicações O software é como um gás Lei de Nathan Durante a década de 70, Gordon Moore, na época o presidente da Intel lançou uma profecia, que dizia que a partir dali o poder de processamento (número de transistores em um CHIP) dobraria a cada 18 meses. 55