Arquitetura e Organização de computadores e Organização de computadores Aula 1: Organização e evolução de computador, parte 3 Prof. MSc. Pedro Brandão Neto [email protected]

Arquitetura e Organização de

computadores

Aula 1: Organização e evolução de computador, parte 3

Prof. MSc. Pedro Brandão Neto

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Sistemas de Informação - UNDB

Introdução

Durante a evolução digital moderno foram projetadas e construídas

centenas de diferentes tipos de computadores. Grande parte já foi

esquecida há muito tempo, mas alguns causaram um impacto

significativo sobre ideias modernas

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Gerações de Computadores

A 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 em escala muito grande (1980-?)

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A geração zero - computadores mecânicos (1642 - 1945)

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Computadores Mecânicos (1642-1945)

Blaise Pascal (1623-1662, França) construiu em 1642 a primeira máquina de calcular, baseada em engrenagens e alavancas, e que apenas permitia fazer adições e subtrações.

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Baron Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716, Alemanha) construiu outra máquina no mesmo estilo, após 30 anos da invenção de Pascal, e que permitia também fazer multiplicações e divisões

Na verdade, ele construiu o equivalente a calculadora de bolso de quatros operações

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Charles Babbage (1792-1871, Inglaterra) construiu na Universidade de Cambridge duas máquinas:

I. Máquina diferencial

Esse dispositivo mecânico só podia somar e subtrair

Foi projetado para calcular tabelas de números úteis para a navegação naval

Toda a construção foi projetada para executar um único algoritmo, o método de diferenças finitas que usava polinônimos

Como método de saída, ela perfurava seus resultados sobre uma chapa de gravação de cobre, prenunciando futuros meios de escrita única como cartões perfurados e CD-ROMS

Já como esta máquina só podia executar um único algoritmo, Babbage começou a construção da máquina analítica


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I. Máquina análitica

Quatro componentes: armazenagem (memória), moinho (unidade de cálculo), seção de entrada (leitora de cartões perfurados) e seção de saída (saída impressa e com perfuração);

A armazenagem consistia em 1000 palavras de 50 algorismos decimais

O moinho podia aceitar operandos da armazenagem e então os somava, subtraía, multiplicava ou dividia, por fim, devolvia o resultado à armazenagem

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


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I. Máquina análitica

Babbage não conseguiu depurar completamente o hardware

O problema era que ele precisava de milhares e milhares de dentes e rodas e engrenagens produzidos com um grau de precisão que a tecnologia do século XIX não podia oferecer

Suas ideias estavam muito frente de sua época e até hoje a maioria dos computadores modernos tem uma estrutura muito semelhante à da máquina analítica

Babbage é o avô do computador digital moderno


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Máquina análitica 10


Herman Hollerith, funcionário do departamento de recenseamento, em 1880, teve a ideia de conceber uma máquina que, através de processos eletromecânicos, tratasse um conjunto de cartões perfurados onde seriam registrados os dados

O sucesso desta invenção foi tal que Holletith criou uma companhia para a produção em série do seu invento, a Tabulating Machine Company (TMC) que, mais tarde, associando-se a outras empresas deu origem à Internacional Business Machines Corporation (IBM)

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Konrad Zuse (Alemanha) construiu durante a década de 1930 uma série de máquinas de calcular baseadas em relés 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) construiu 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 relés eletromagnéticos no lugar de engrenagens


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A primeira geração - válvulas (1945-1955)

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Computadores com válvulas (1945-1955)

O estímulo para o computador eletrônico foi a segunda guerra mundial

Mensagens codificadas usando a máquina ENIGMA

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 pela máquina ENIGMA. O projeto foi mantido em segredo por 30 anos, por isso, não houve evolução.

Alan Turing participou do projeto.

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ENIGMA

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John Mauchley, que conhecia o trabalho de Atanasoff, e, seu aluno de pós-graduação, 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 mil válvulas

1.500 relés

30 toneladas

140 quilowats

20 registradores de números decimais de 10 dígitos

Programação feita através de 6 mil interruptores e de milhares de

jumpers (cabos de conexão)

John von Neumann participou do projeto.

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O ENIAC era mil vezes mais rápido do que qualquer máquina anterior, resolvendo 5 mil adições e subtrações, 350 multiplicações ou 50 divisões por segundo.

Apesar de seus inúmeros ventiladores, a temperatura ambiente chegava às vezes aos 67 graus centígrados.

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Em 1945 Von Neumann sugeriu que o sistema binário fosse adotado em todos os computadores, e que as instruções e dados fossem compilados e armazenados internamente no computador, na sequência correta de utilização

A partir dessas ideias, e da álgebra de Boole, introduzida por Boole no início do século XIX, é que Mauchley e Eckert projetaram e construíram o EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer)

O EDVAC, apesar de ser mais moderno, não diminuiu de tamanho e ocupava 100% do espaço que o ENIAC ocupava. Todavia, ele era dotado de cem vezes mais memória interna que o ENIAC

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EDVAC 21


Considerações

Programar computadores com quantidades imensas de interruptores e cabos era uma tarefa lenta, tediosa e mecânica

John Von Neumann percebeu que um programa podia ser representado em forma digital na memória do computador, junto com os dados.

Também, que a aritmética decimal usada pelo ENIAC, com cada dígito representado por 10 válvulas (1 acesa e 9 apagadas), podia ser substituída usando aritmética binária, algo que Atanasoff tinha percebido anos antes

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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 a base de quase todos os computadores digitais

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Máquina de von Neumann

A máquina de Von Neumann (IAS) contém:

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Memória

Unidade de Controle

Unidade Aritmética Lógica

Acumulador entrada

saída

• Memória: 4096 palavras de 40 bits (2 instruções de 20 bits ou um inteiro)

• Instrução: 8 bits para indicar o tipo (a operação), 12 tipos para endereçar a

memória

• Acumulador: registrador especial de 40 bits

A máquina de Von Neumann (IAS)

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IAS,

1947

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Eckert-Mauchley Computer Corporation

UNIVAC - O primeiro computador comercial de grande escala

A entrada e saída de informações eram realizadas por uma fita metálica de 1/2 polegada de largura e 400 m de comprimento.

Foram vendidas 46 unidades

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UNIVAC

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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

1956: IBM 704

4K de memória

Instruções de 36 bits

Hardware para floating-point (números reais)

1958: IBM 709

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IBM 650

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A segunda geração - transistores (1955-1965)

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Computadores com transistores (1955-1965)

Em 1952, a Bell Laboratories inventava o transistor que apresentava inúmeras vantagens em relação às válvulas

menor aquecimento

maior poder de cálculo

confiabilidade

consumo de energia bem menor - com o adicional de que não necessitava

de tempo para aquecer

os cálculos passaram a ser medidos de segundos para microssegundos

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TX-0 (Transistorized eXperimental computer 0)

M.I.T., Lincoln Laboratory

Primeiro computador com transistor

PDP-1 (Primeiro computador comercializado)

1961, DEC (Digital Equipment Corporation), Kenneth Olsen (participante do projeto do TX-2) fundou a DEC em 1957.

Memória: 4K palavras de 18 bits e 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

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PDP-8

DEC, 1965

Preço: US$16,000 e Unidades vendidas: 50.000

Máquina de 12 bits e 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

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CPU memory console terminal

paper tape I/O other I/O

Omnibus

Barramento único do PDP-8 - omnibus

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IBM 1401

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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

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A terceira geração - circuitos integrados (1965-1980)

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Invenção do circuito integrado de silício, em 1958, Robert Noyce

Transistores, resistores, diodos e outras variações de componentes eletrônicos miniaturizados e montados sobre um único chip aos computadores

Dezenas de transistores em um único chip

Possibilitou construir computadores menores, mais rápidos e

mais baratos

Atingindo uma faixa de mercado que abrangia empresas de médio porte,

centros de pesquisa e universidades menores

Computadores com circuitos integrados (1965-1980)

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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


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Família IBM System/360

Propriedade Modelo 30 Modelo 40 Modelo 50 Modelo 65

Desempenho

relativo

1 3,5 10 21

Ciclo (nsec) 1000 625 500 250

Memória

(KB)

64 256 256 512

Bytes lidos

por ciclo

1 2 4 16

Canais para

dados

3 3 4 6

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IBM PC/XT


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PDP-5


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A quarta geração - integração em escala muito grande (1980-?)

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Computadores com integração em escala

muito Grande (1980-?)

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

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A Intel desenvolveu o 1º microprocessador

Intel 4004. Possuía um circuito integrado com 2.250 transistores que funcionava a 4 bits.

Depois foram lançados

Intel 8008 (2.500 transistores),

Em 1971 e 1974 o Intel 8080.

O 1º microcomputador foi produzido em 1975, pela Mits (Micro Instrumentation Telemetry Systems) chamada de Mits Altair 8800

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Altair 8800

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Primeiros 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

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Primeiros 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

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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.

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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

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Categorias de computadores

Tipo Preço ($) Exemplos de aplicação

Descartável 1 Cartões de mensagens

Embutido 10 Relógios, carros, equipamentos

Game 100 Vídeo games

Computadores pessoais 1K Desktops e portáteis

Servidores 10K Servidores de rede

Coleção de workstations 100K Minisupercomputador departamental

Mainframe 1M Processamento batch em bancos

Supercomputador 10M Previsão de tempo, prospecção de petróleo

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Intel

1968: Fundação

Robert Noyce ( inventor do circuito integrado de silício )

Gordon Moore ( Moore’s law )

Arthur Rock ( investidor )

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Chip Data MHz Transistores Memória Nota

4004 4/1971 0,108 2.300 640 Primeiro microprocessador em um único chip

8008 4/1972 0,108 3.500 16 KB Primeiro microprocessador de 8 bits

8080 4/1974 2 6.000 64 KB Primeira CPU de propósito geral em um chip

8086 6/1978 5-10 29.000 1 MB Primeira CPU de 16 bits em um chip

8088 6/1979 5-8 29.000 1 MB Usado no IBM PC

80286 2/1982 8-12 134.000 16 MB Esquema de proteção de memória

80386 10/1985 16-33 275.000 4 GB Primeira CPU de 32 bits

80486 4/1989 25-100 1,2M 4 GB Cache interno de 8K

Pentium 3/1993 60-233 3,1M 4 GB 2 pipelines; MMX

Pentium Pro 3/1995 150-200 5,5M 4 GB Cache interno em dois níveis

Pentium II 5/1997 233-400 7,5M 4 GB Pentium Pro com MMX

Intel

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SUN

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

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Fim!

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